(57)【要約】【課題】実用上十分な強度を有し、且つ、反発性能に優れ、しかも、良好な打球感が発現できるラケットフレームを提供する。【解決手段】マトリックス樹脂として、粘度が１００ｃｐｓのエポキシ樹脂を準備し、これに微細炭素繊維９として、平均繊維径が１５０ｎｍ、熱伝導率が１５℃の温度状態下で１５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の特性を示すカーボンナノファイバーを３質量％の割合で混入せしめたマトリックス樹脂素材を得た。又、補強繊維としてＰＡＮ系炭素繊維を準備し、繊維量（Ｖｆ）が５０％のプリプレグシートを得た。前記プリプレグシートをラケットフレーム成形用に適宜裁断して、内圧成形用のチューブの周囲に巻回積層し、これを金型のフレーム形状としたキャビティ内に配置させた後に、前記チューブ内に圧縮空気を注入し加熱硬化させてラケットフレームを形成する。【選択図】        図２
2004202001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
補強繊維とマトリックス樹脂とで形成される繊維強化樹脂製のラケットフレームにおいて、前記マトリックス樹脂に、炭素六角網面の結晶が円筒形に巻かれる単層構造或いは、多層構造を成し、その中心部に微細な中空部を有する結晶素材であって、平均繊維径が１０〜３００ｎｍの範囲内に設定される微細炭素繊維が混入されていることを特徴とするラケットフレーム。
【請求項２】
前記マトリックス樹脂の常温における粘度が、５０〜１０００ｃｐｓの範囲内に設定されると共に、該マトリックス樹脂に前記微細炭素繊維が１質量％以上、１０質量％以下の割合で混入されていることを特徴とする請求項１記載のラケットフレーム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、テニス、バドミントン、スカッシュ等に使用されるラケットフレーム（以下、単にラケットフレームと称する）に関するものであり、特に繊維強化樹脂から成形されるラケットフレームに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
繊維強化樹脂製のラケットフレームは、軽量で、強度、剛性、耐衝撃性に優れ、しかも、必要な形状を得やすいといった設計上の自由度が大きいことから現在ではラケットフレームの主流を占めるようになっている。
【０００３】
通常、この種のラケットフレームは、図５に示すように、中空或いは、中実の芯材２１と、その周囲に配置される繊維強化樹脂製の外殻２２とから構成されている。又一般に、前記外殻２２は、炭素繊維やガラス繊維を主体とする補強繊維を適宜積層し、エポキシ樹脂やポリエステル樹脂等のマトリックス樹脂で硬化成形されている。
【０００４】
ところで、このような繊維強化樹脂製のラケットフレームは、所定の応力、あるいは歪が発生すると補強繊維の層間に介在するマトリックス樹脂の層が剪断破壊し、特に、圧縮方向の歪みが発生する箇所で破損が起き易いという問題がある。
例えば、ラケットフレームの打球部においては、ガットの張設或いは、ボール打撃時の衝撃によって作用する面内方向の力により、応力が集中するトップ部や左右両サイド部の位置（ラケットフレームの打球部を時計面とし、トップ部を１２時として見た場合、１２時と３時（９時）付近の位置）が破損し易い。具体的には、トップ部におけるフレームの外周面側やサイド部におけるフレームの内周面側に応力が集中する。
そのため、従来では、ラケットフレームとして必要な設計強度、特に、圧縮強度を得るために、圧縮方向の歪みが発生し易い箇所を構成する補強繊維の使用量を増加させ、外殻の肉厚を厚く設計する手段が一般に講じられている。
【０００５】
しかし、このような従来のラケットフレームでは、必要な圧縮強度を発現させることに伴って、必然的に引張り強度や曲げ強度をも向上させてしまい、この結果、ラケットフレーム自体の剛性が一段と高まり、ラケットの剛さが非常に剛くなる傾向にある。このような剛いラケットフレームは、プロや上級プレーヤー等のハードヒッターには適するものの、一般のプレーヤーには不向きで扱い難いものであった。
【０００６】
又、必要な圧縮強度を得るために、使用する補強繊維の量を増加し、外殻の肉厚を厚く構成している分、ラケットフレーム自体の質量が増加してしまうという欠点もある。特に、近年では、ラケットフレームの軽量化の流れが一段と加速されてきていることもあり、より一層のラケットフレームの軽量化が望まれるが、ラケットフレームの軽量化を更に図りつつ、実用上十分な圧縮強度を発現させることは難しい問題となっている。
【０００７】
従来、このような問題を解決する提案として、例えば、特許文献１では、ＦＲＰ製ラケットフレームを構成するＦＲＰ外殻層を形成している補強繊維とマトリックス樹脂において、該マトリックス樹脂に直径０．１〜０．３μｍで長さが１０〜２０μｍの任意のウイスカを強化素材として添加し、補強繊維に含浸硬化させて成るＦＲＰ製ラケットフレームが提案されている。又、使用するウイスカとしては、窒化ケイ素ウイスカをはじめ、炭化ケイ素ウイスカ、チタン酸カリウムウイスカ、アルミナウイスカ、カーボンファイバーウイスカ等が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
実公平３−１４２０５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
かかる提案によれば、ＦＲＰ外殻層において、補強繊維の層間に介在するマトリックス樹脂の層が前記ウイスカにより補強されるようになるため、補強繊維の層間剪断強度を大幅に向上させることができる。この結果、ラケットフレーム自体の剛性（剛さ）をあまり変えることなく、実用上十分な圧縮強度を発現させることができた。
【００１０】
しかし、前記提案において使用されるウイスカは、熱伝導率が低く放熱性に劣るという特性を有する。例えば、その代表例として、窒化ケイ素ウイスカの熱伝導率は、５〜３０℃（実際にラケットフレームが使用に供される温度）の状態下で２０〜３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、炭化ケイ素ウイスカは、１．２〜１．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）、チタン酸カリウムウイスカは、５〜６Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度と低く、これらのウイスカをマトリックス樹脂中に添加してラケットフレームを形成すると、ラケットフレーム自体の熱伝導率が低下し、ボール打撃時に生起する振動が熱エネルギーとして消費され難くなる。この結果、ラケットフレームの振動減衰性が劣ってしまい、良好な打球感が得られ難くなるという問題があった。
【００１１】
又、通常、前記ウイスカは剛直な結晶体であり、これをマトリックス樹脂中に添加して用いると、硬化成形される樹脂の靭性が乏しくなり衝撃強度が劣ってしまうと共に、樹脂の弾力性が乏しくなる為、ラケットフレームの反発性能が大幅に低下してしまうことが予測される。
【００１２】
そこで本発明は、このような従来の問題点に鑑み、ラケットフレームとして実用上十分な強度を有し、且つ、反発性能に優れ、しかも、良好な打球感が発現できるラケットフレームを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は以下のような構成とした。
即ち、本発明の請求項１に係るラケットフレームは、補強繊維とマトリックス樹脂とで形成される繊維強化樹脂製のラケットフレームにおいて、前記マトリックス樹脂に、炭素六角網面の結晶が円筒形に巻かれる単層構造或いは、多層構造を成し、その中心部に微細な中空部を有する結晶素材であって、平均繊維径が１０〜３００ｎｍの範囲内に設定される微細炭素繊維が混入されていることを特徴とするものである。
【００１４】
又、請求項２は、前記請求項１に係るラケットフレームであって、前記マトリックス樹脂の常温における粘度が、５０〜１０００ｃｐｓの範囲内に設定されると共に、該マトリックス樹脂に前記微細炭素繊維が１質量％以上、１０質量％以下の割合で混入されていることを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施例を図面に基づき詳細に説明する。
図１は、本実施例のラケットフレーム１の外観説明図、図２は、図１のａ部領域における構成説明図を示す。
【００１６】
即ち、本実施例のラケットフレーム１は、図１に示すように、ガット２が張設されて打球面３が形成される打球部４と、該打球部４とグリップ部５とを連結する左右２本のシャフト部６とから成っている。そして、その構成としては、図２に示すように、芯材７の周囲に、補強繊維とマトリックス樹脂とで形成される繊維強化樹脂製の外殻８を備えた管状構造を有している。
そして、本実施例のラケットフレーム１では、前記外殻８を構成するマトリックス樹脂に、以下に説明する微細炭素繊維９を強化素材として混入している。
【００１７】
前記微細炭素繊維９は、例えば、気相成長法、アーク放電法、レーザーアブレーション法、プラズマ合成法等の方法によって生成され、炭素六角網面の結晶が円筒形に巻かれる単層構造或いは、多層構造を成し、その中心部に微細な中空部を有する結晶素材であって、ナノメートルオーダーの繊維径を有する非常に微細な炭素繊維素材から成る。かかる微細炭素繊維９としては、カーボンナノファイバー或いは、カーボンナノチューブ等が使用される。
【００１８】
この種の微細炭素繊維９は、軽量で比強度に優れる微細な繊維であり、これをマトリックス樹脂中に混入させた場合、前記微細炭素繊維９が前記マトリックス樹脂を補強するフィラーとしての役目を果たす。特に、補強繊維の層間に介在するマトリックス樹脂の層を効果的に補強できるため、補強繊維の層間剪断強度を著しく向上でき、この結果、圧縮強度を大幅に高めることができる。
【００１９】
又、前記微細炭素繊維９は、熱伝導率が他の公知素材と比較して極めて高く、ラケットフレーム１自体の熱伝導率を高めることができる。この結果、ボール打撃時にラケットフレーム１に生起する振動が素早く熱エネルギーとして消費されるようになるため、振動減衰性が高まり、良好な打球感を得ることが可能となる。
【００２０】
更に、前記微細炭素繊維９は、優れた反発特性を有し、硬化成形される樹脂に適度な弾力性を与えるため、ラケットフレーム１自体の反発性能を大幅に向上させることができる。これは、前記微細炭素繊維９が、その中心部に微細な中空部を備えた結晶構造を有するためと推測される。
【００２１】
前記微細炭素繊維９は、その繊維径が小さいもの程、優れた補強効果を発現し、且つ熱伝導率が高くなる傾向にある。又、前記中空部の孔径が大きい程、優れた反発性能を発揮し、且つ衝撃強度を高めることができる。本実施例では、ラケットフレーム１に適したものとして、その平均繊維径は、１０〜３００ｎｍの範囲内、とりわけ２０〜２００ｎｍの範囲内に設定し、平均繊維長が２〜３０μｍ、とりわけ５〜２０μｍの範囲内にあるものが使用される。又、熱伝導率は、５〜３０℃（実際にラケットフレームが使用に供される温度）の状態下で１０００〜３０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の範囲内、とりわけ１５００〜２０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の範囲内にあるものが使用される。更に、前記中空部の孔径は、前記平均繊維径の１０〜６０％の範囲内、とりわけ３０〜５０％の範囲内にあるものが好適に使用される。
【００２２】
上記において、前記微細炭素繊維９の平均繊維径の上限値を３００ｎｍに設定したのは、前記繊維径がこれよりも大きくなると、マトリックス樹脂の層の補強効果を十分に発現できず、ラケットフレーム１として満足のできる圧縮強度を得ることができなくなると共に、熱伝導率が低くなり良好な振動減衰性を発現できなくなるからである。又、下限値を１０ｎｍに設定したのは、前記繊維径がこれよりも小さくなると、取扱い性が難しくなり、マトリックス樹脂中に斑なく均等に含有させることができず、ラケットフレーム１の品質にバラツキが生じる恐れがあるからである。
【００２３】
又、前記平均繊維長の上限値を３０μｍに設定したのは、前記平均繊維長がこれよりも大きくなると、マトリックス樹脂中に均等に含有させることが難しくなるからであり、又、下限値を２μｍに設定したのは、前記平均繊維長がこれよりも小さくなると、取扱いが難しくなるからである。
【００２４】
前記熱伝導率の上限値を３０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）に設定したのは、現在知り得る微細炭素繊維９において、前記平均繊維径の設定範囲の中で得ることのできる上限値がこの値であるからであり、又、下限値を１０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）に設定したのは、熱伝導率がこれより小さくなると、ラケットフレーム１の振動減衰性が劣ってしまい、良好な打球感が発現できなくなるからである。
【００２５】
又、前記中空部の孔径の上限値を、上記のように前記平均繊維径の６０％に設定したのは、現在知り得る微細炭素繊維９の中で良好な品質を確保して生成し得ることのできる上限値がこの値であるからであり、又、下限値を１０％に設定したのは、これよりも小さいと良好な反発性能及び、衝撃強度を発現し難くなるからである。
【００２６】
更に、前記微細炭素繊維９は、常温での粘度が５０〜１０００ｃｐｓの範囲内に設定されたマトリックス樹脂中に１質量％以上、１０質量％以下、とりわけ３質量％以上、７質量％以下の割合で混入されることが好ましい。
前記微細炭素繊維９の使用量が１質量％よりも少ないと、マトリックス樹脂の層の補強効果が十分に発現できず、ラケットフレーム１として満足のできる圧縮強度を得ることができなくなると共に、振動減衰性及び、反発特性を十分に高めることができない。又、１０質量％よりも多いと、マトリックス樹脂中に均等に混入させ難くなるという問題が生じると共に、前記１０質量％を境として、これよりも多く微細炭素繊維を使用してもラケットフレーム１の圧縮強度、振動減衰性、反発特性等において良好な評価は得られなかった。
【００２７】
又、前記微細炭素繊維９をマトリックス樹脂中に混入すると、ラケットフレーム１の加熱硬化成形時に、前記マトリックス樹脂が金型の外に流れ出す量を抑制することができる。即ち、樹脂のフロー制御が行えるため、補強繊維への浸透性に優れた５０〜１０００ｃｐｓといった比較的低粘度のマトリックス樹脂を用いてラケットフレームを成形することができる。これにより、補強繊維への樹脂の含浸性を高め、しかも、成形時に樹脂の流出が抑えられることから、成形後のラケットフレーム１にボイドやピンホール等が生じ難く、後工程で手直しを要しない成形品質に優れたラケットフレーム１を得ることができる。種々実験を行った結果、前記マトリックス樹脂の粘度が、１０００ｃｐｓより高いと、補強繊維へマトリックス樹脂が含浸し難くなり、十分な設計強度が得られ難くなるという問題があり、又、５０ｃｐｓより低いと、フロー制御を十分に行うことが難しくなり、マトリックス樹脂が金型の外に多く流出し、成形後の後工程で手直しが必要となる。前記マトリックス樹脂の粘度は、とりわけ１００〜３００ｃｐｓが好ましい。
【００２８】
又更に、前記微細炭素繊維９は、その生成温度により繊維の表面状態が種々異なる。本実施例では、前記マトリックス樹脂とのぬれ性を考慮して、その比表面積が１１〜１５ｍ２／ｇの範囲内にあるものが好適に使用される。
前記比表面積が１５ｍ２／ｇよりも大きいと、マトリックス樹脂中に均等に混入させ難くなるという問題が生じ、又、前記比表面積が１１ｍ２／ｇよりも小さいと、マトリックス樹脂とのぬれ性が悪くなり、補強効果が乏しくなる問題が生じる。
【００２９】
このような本実施例のラケットフレーム１を製造するには、例えば、内圧成形用のチューブの周囲に、ラケットフレーム成形用の複数のプリプレグシートを積層し、これを金型のフレーム形状としたキャビティ内に配置した後に、前記チューブ内に圧縮空気を注入し加熱するといった繊維強化樹脂製ラケットフレームの通常の製造法において、前記プリプレグシートを構成するマトリックス樹脂中に前記した微細炭素繊維９を混入させて成形する手段が講じられる。
【００３０】
本実施例の繊維強化樹脂製のラケットフレーム１を構成する主たる補強繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、芳香族ポリアミド繊維等種々のものが使用できるが、強度や剛性、質量、コストの面からも炭素繊維が好適である。補強繊維の形態としては、一方向引き揃えの他、ロービング、マット、織物、編物、ブレード等種々の形態としたものが使用できる。又、マトリックス樹脂としては、エポキシ樹脂、ナイロン樹脂、ポリエステル樹脂等が使用できるが、強度、耐久性の点でエポキシ樹脂が好適である。
【００３１】
【実施例】
本発明の効果を確認するために、以下の実施例１と、比較例１〜２のラケットフレームを用意した。
【００３２】
（実施例１）
マトリックス樹脂として、粘度が１００ｃｐｓのエポキシ樹脂を準備し、これに微細炭素繊維として、平均繊維径が１５０ｎｍ、平均繊維長が１５μｍ、アスペクト比（平均繊維長さ／平均繊維径）が１００であり、その比表面積が１３ｍ２／ｇ、熱伝導率が１５℃の温度状態下で１５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の特性を示すカーボンナノファイバー（昭和電工株式会社製：ＶＧＣＦ−焼成タイプ）を３質量％の割合で混入せしめたマトリックス樹脂素材を得た。又、補強繊維として繊維径７μｍのＰＡＮ系炭素繊維（東レ株式会社製：トレカＴ３００）を準備し、繊維量（Ｖｆ）が５０％のプリプレグシートを得た。
前記プリプレグシートをラケットフレーム成形用に適宜裁断して、内圧成形用のチューブの周囲に巻回積層し、これを金型のフレーム形状としたキャビティ内に配置させた後に、前記チューブ内に圧縮空気を注入し加熱硬化させてラケットフレームを形成した。
【００３３】
上記のように硬化成形されたラケットフレームは、ボイドやピンホール等が生じることがなく、成形品質に優れ、後工程での手直しを要することがなかった。
【００３４】
（比較例１）
前記微細炭素繊維を省いたプリプレグシートを準備し、このプリプレグシートを使用して実施例１と同様な方法でラケットフレームを形成した。
【００３５】
尚、このラケットフレームの成形時、マトリックス樹脂が金型の外へ多く流出し、硬化成形されたラケットフレームには、ボイドやピンホールが多く発生し、後工程でパテ込み等の多くの手直しを要した。
【００３６】
（比較例２）
実施例１で使用した微細炭素繊維に替え、平均繊維径が１．０μｍ、平均繊維長が５０μｍ、アスペクト比（平均繊維長さ／平均繊維径）が５０であり、熱伝導率が１５℃の温度状態下で５．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）の特性を示すチタン酸カリウムウイスカ（大塚化学株式会社製：ティスモＤ）を混入させたプリプレグシートを用いてラケットフレームを形成した。
【００３７】
これらの実施例１と、比較例１〜２のラケットフレームについて、打球部における面内方向への圧縮強度を測定した。この結果を以下の表１に示す。
【００３８】
【表１】
2004202001.tif 000003
【００３９】
前記圧縮強度に関しては、打球部の長軸方向における縦圧縮強度と、短軸方向における横圧縮強度をそれぞれ測定した。前記縦圧縮強度の測定は、図３に示すように、ラケットフレーム１を支持具１０上に垂直に固定し、加圧くさび１１を用いて破損に要する荷重を求めた。又、横圧縮強度の測定は、図４に示すように、ラケットフレーム１を横向きとして打球部４のサイド部を支持台１２に置いて垂直に保持し、この状態で上側のサイド部に加圧くさび１１を用いて破損に要する荷重を求めた。
【００４０】
又、上記試験に加え、シャルピー衝撃強度試験を行ったところ、前記微細炭素繊維を混入した実施例１のラケットフレームは、前記微細炭素繊維を混入しない比較例１のラケットフレームに比し、約４０％高い衝撃強度が得られた。
【００４１】
次に、実施例１と、比較例１〜２のラケットフレームの反発特性及び、振動減衰性を確認するために実打試験を行った。この実打試験では、一般のアマチュアプレーヤーを対象にして、実際に、実施例１と、比較例１〜２のラケットフレームでボールを打撃し、その際、プレーヤーが体感した打撃時のフィーリング（手に伝播される振動）や、反発性（飛び）等の評価を行った。この時の結果を以下の表２に示す。
【００４２】
【表２】
2004202001.tif 000004
【００４３】
このような試験結果より、本実施例１のラケットフレームでは、比較例１〜２のラケットフレームに比し、十分な圧縮強度が得られると共に、ボール打撃時の振動減衰性が高く、しかも、反発特性に優れたラケットフレームであることが確認できた。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように、本発明では、補強繊維とマトリックス樹脂とで形成される繊維強化樹脂製のラケットフレームにおいて、前記マトリックス樹脂に、炭素六角網面の結晶が円筒形に巻かれる単層構造或いは、多層構造を成し、その中心部に微細な中空部を有する結晶素材であって、平均繊維径が１０〜３００ｎｍの範囲内に設定される微細炭素繊維が混入されていることにより、補強繊維の層間に介在するマトリックス樹脂の層を効果的に補強できるため、補強繊維の層間剪断強度を著しく向上でき、この結果、圧縮強度を大幅に高めることができる。
【００４５】
そして、前記微細炭素繊維は、熱伝導率が極めて高く、ラケットフレーム自体の熱伝導率を高めることができる。この結果、ボール打撃時にラケットフレームに生起する振動が素早く熱エネルギーとして消費されるようになるため、振動減衰性が高まり、良好な打球感を得ることができる。
【００４６】
更に、前記微細炭素繊維は、優れた反発特性を有し、硬化成形される樹脂に適度な弾力性を与えるため、ラケットフレーム自体の反発性能を大幅に向上できる。
【００４７】
又、前記微細炭素繊維をマトリックス樹脂中に混入すると、ラケットフレームの加熱硬化成形時に、前記マトリックス樹脂が金型の外に流れ出す量を抑制することができる。即ち、樹脂のフロー制御が行えるため、補強繊維への浸透性に優れた５０〜１０００ｃｐｓといった比較的低粘度のマトリックス樹脂を用いてラケットフレームを成形することができる。これにより、補強繊維への樹脂の含浸性を高め、しかも、成形時に樹脂の流出が抑えられることから、成形後のラケットフレームにボイドやピンホール等が生じ難く、後工程で手直しを要しない成形品質に優れたラケットフレームを得ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例のラケットフレームの外観説明図。
【図２】図１のａ部における構成説明図。
【図３】圧縮強度の試験方法を表す説明図。
【図４】圧縮強度の試験方法を表す説明図。
【図５】従来のラケットフレームの構成説明図。
【符号の説明】
１  ラケットフレーム
２  ガット
３  打球面
４  打球部
５  グリップ部
６  シャフト部
７  芯材
８  外殻
９  微細炭素繊維
１０支持具
１１  加圧くさび
１２  支持台
２１  芯材
２２  外殻
【図１】
2004202001.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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