(57)【要約】【課題】繊維強化樹脂製の管状体の軽量化を図ると共に、衝撃強度及び曲げ強度を向上させる。【解決手段】弾性率が２００ＧＰａ以上５００ＧＰａ以下のＰＡＮ系炭素繊維と弾性率が５０ＧＰａ以上１６０ＧＰａ以下のピッチ系炭素繊維を強化繊維とした複合プリプレグを用い、該複合プリプレグの強化繊維を管状体の長手方向と略平行になるように交互に引き揃え、少なくとも最外層に積層している。上記複合プリプレグは、４〜６μｍの上記ＰＡＮ系炭素繊維の束と、９〜１１μｍの上記ピッチ系低弾性繊維の束とを交互に引き揃えると共に略同一厚さとしている。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化樹脂をマトリクス樹脂に含浸させたプリプレグより成形している繊維強化樹脂製の管状体であって、
上記プリプレグの少なくとも１枚は、弾性率が２００ＧＰａ以上５００ＧＰａ以下のＰＡＮ系炭素繊維と、弾性率が４５ＧＰａ以上１６０ＧＰａ以下のピッチ系低弾性繊維とからなる強化繊維を樹脂に含浸させた複合プリプレグからなる繊維強化樹脂製の管状体。
【請求項２】
上記複合プリプレグは、４〜６μｍの上記ＰＡＮ系炭素繊維の束と、９〜１１μｍの上記ピッチ系低弾性繊維の束とを交互に引き揃えると共に略同一厚さとしている請求項１に記載の繊維強化樹脂製の管状体。
【請求項３】
上記複合プリプレグは、上記ＰＡＮ系炭素繊維と上記ピッチ系低弾性繊維の繊維方向を上記管状体の長手方向と略平行としている請求項１又は請求項２に記載の繊維強化樹脂製の管状体。
【請求項４】
上記複合プリプレグ中の上記ピッチ系低弾性繊維の重量は、上記ＰＡＮ系炭素繊維と上記ピッチ系低弾性繊維とを合計した強化繊維の全体重量に対して５ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下としている請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂製管状体。
【請求項５】
上記複合プリプレグは、上記ＰＡＮ系炭素繊維と上記ピッチ系低弾性繊維とからなる強化繊維重量を複合プリプレグ全体重量の６０％以上　８０％以下としている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂製管状体。
【請求項６】
上記複合プリプレグと、強化繊維として１種類の炭素繊維を用いている他のプリプレグと積層して管状体を形成し、上記複合プリプレグは少なくとも管状体の最外層に積層している請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂製管状体。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂製の管状体からなるゴルフクラブシャフト。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、繊維強化樹脂製の管状体及び該繊維強化樹脂製の管状体からなるゴルフクラブシャフトに関し、詳しくは、軽量化を図りながら曲げ強度と衝撃強度を向上させるものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ゴルフクラブや釣竿等の軽量化が望まれており、ゴルフクラブシャフトや釣竿等に使用される繊維強化樹脂製の管状体の軽量化が進んでいる。しかし、管状体の強度を維持したまま軽量化することは非常に難しくなってきている。
【０００３】
炭素繊維強化プラスチック（ＣＥＲＰ）の衝撃強度について、第２８回繊維強化樹脂製シンポジウム講演論文集等で、ピッチ系低弾性炭素繊維を強化繊維として用いた繊維強化樹脂層を積層することにより積層体の衝撃強度が向上することが紹介されている。このように、一般の炭素繊維に比べて、上記ピッチ系低弾性炭素繊維は圧縮破断歪みが大きいという特性を有しており、衝撃強度を補強する効果がある。
【０００４】
上記特性を利用して、特開平９−１４１７５４号において、ゴルフクラブシャフトの先端部にピッチ系低弾性炭素繊維を用いた補強層を配置することにより、軽量で優れた強度を有するシャフトが提供されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−１４１７５４号公報
【０００６】
【非特許文献１】
第２８回ＦＲＰシンポジウム講演論文集　第１６７頁〜第１７０頁
著者：竹村振一　早田喜穂　島美樹男　大野秀幸
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ピッチ系低弾性炭素繊維は圧縮破断歪みが大きく、繊維強化樹脂製管状体の衝撃強度を補強することはできるが、曲げ強度が低く、積層量が大きくなったり、積層構成によっては衝撃強度の補強には作用せず、逆に曲げ強度が低下してしまう問題がある。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、ゴルフクラブシャフト、釣竿等に使用される繊維強化樹脂製の管状体の軽量化を図ると共に、衝撃強度及び曲げ強度を向上させることを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、強化樹脂を樹脂に含浸させたプリプレグより成形している繊維強化樹脂製の管状体であって、
上記プリプレグの少なくとも１枚は、弾性率が２００ＧＰａ以上５００ＧＰａ以下のＰＡＮ系炭素繊維と、弾性率が４５ＧＰａ以上１６０ＧＰａ以下のピッチ系低弾性繊維とからなる強化繊維を樹脂に含浸させた複合プリプレグからなる繊維強化樹脂製の管状体を提供している。
【００１０】
上記構成とすると、曲げ強度に優れたＰＡＮ系炭素繊維を衝撃強度に優れたピッチ系低弾性繊維とを強化繊維として用いた複合プリプレグとすることにより、ピッチ系炭素繊維の弱点を克服して、曲げ強度及び衝撃強度が共に優れた繊維強化樹脂製管状体とすることができる。
【００１１】
一般的に炭素繊維は５〜１０μｍの繊維が一定量の束になった状態で生産され、一束の繊維本数によって、３Ｋ（３０００本）、６Ｋ（６０００本）、１２Ｋ（１２０００本）、２４Ｋ（２４０００本）等の種類があるが、上記プリプレグは、３Ｋ〜１２Ｋの範囲の繊維を使用するのが好ましい。
３Ｋより少なくなると炭素繊維の生産性が低下しコスト高となってしまうためであり、また、１２Ｋより多いと管状体としたときに、ＰＡＮ系炭素繊維とピッチ系炭素繊維を複合した効果が発現せず、強度が低下してしまうためである。　上記３Ｋ〜２４Ｋ等の一定量が束になった１束の炭素繊維が幅１ｍｍ〜５ｍｍ程度となるように平行に引き揃え、この状態でマトリクス樹脂に含浸してプリプレグを形成している。
【００１２】
上記のように、通常使用されている炭素繊維は５〜１０μｍであるのに対して、ＰＡＮ系炭素繊維の素線の太さが４〜６μｍと細く、一方、ピッチ系低弾性繊維の太さは９〜１１μｍと比較的太くなっている。
よって、太いピッチ系低弾性繊維のみを並べるてマトリクス樹脂に含浸させたプリプレグでは、表面の凹凸が大きくなる。この凹凸を埋めるようにマトリクス樹脂が含浸するためプリプレグの表層に樹脂量が多くなる。よって、ピッチ系低弾性繊維を強化樹脂とするプリプレグを積層すると、層間の樹脂層が厚くなるため、層間での剪断力が劣り、衝撃力が加わった時に、この層間で剥離等の破壊が生じやすくなる。
【００１３】
よって、本発明の上記複合プリプレグは、４〜６μｍの上記ＰＡＮ系炭素繊維の束と、９〜１１μｍの上記ピッチ系低弾性繊維の束とを交互に引き揃えると共に略同一厚さとして、マトリクス樹脂を含浸させてプリプレグを形成している。具体的には、例えば、上記６ＫのＰＡＮ系炭素繊維束と３Ｋのピッチ系低弾性炭素繊維とを交互に引き揃えている。
上記構成とすると、ＰＡＮ系炭素繊維とピッチ系低弾性繊維を並べたときにできる凹凸をさらに小さくすることができる。その結果、プリプレグ表層のマトリクス樹脂量を減らすことができ、層間の樹脂層を薄くすることができる。これにより、層間での剪断力を高め、耐衝撃性に優れた繊維強化樹脂製の管状体とすることができる。
【００１４】
また、プリプレグを積層して成形する管状体では、強化繊維としてピッチ系低弾性繊維のみを強化繊維とするプリプレグの積層数がある一定枚数を越えると、ピッチ系低弾性繊維の強度が支配的になってしまい、曲げ強度が低下する。さらに、積層する位置については、内層側に積層するにつれて、衝撃強度の補強効果が小さくなっていく。このように、ピッチ系低弾性繊維の衝撃強度の補強効果は限られた積層構成でのみ発現するため、設計上の制約を受ける問題がある。
これに対し、本発明ではＰＡＮ系炭素繊維とピッチ低弾性繊維を強化繊維として用いた複合プリプレグを積層しているため、該複合プリプレグの積層枚数や、積層位置に関係なく、どのような積層構成にしても安定して高強度が得られ、設計の自由度を増すことができる。
【００１５】
上記ＰＡＮ系炭素繊維の弾性率は２００ＧＰａ以上５００ＧＰａ以下としており、より好ましくは２２５ＧＰａ以上４００ＧＰａ以下である。
上記２００ＧＰａより小さいと炭素繊維が水分を吸収しやすくなり好ましくなく、５００ＧＰａより大きいと炭素繊維の伸度が小さくなりすぎ、もろく破壊し易くなるためである。
また、上記ピッチ系低弾性繊維の弾性率は４５ＧＰａ以上１６０ＧＰａ以下としており、より好ましくは５０ＧＰａ以上１５０ＧＰａ以下である。
４５ＧＰａより小さいと製造が困難であり、市販されているものはない。また、１６０ＧＰａより大きいと圧縮破断強度が小さくなり補強効果がなくなるからである。
【００１６】
また、上記複合プリプレグは、上記ＰＡＮ系炭素繊維と上記ピッチ系低弾性繊維の繊維方向を上記管状体の長手方向と略平行としていることが好ましい。
強化繊維は配向角度が０°のときに、曲げ強度が最も大きくなるように作用するので、上記構成とすると、曲げ強度を最大限に大きくすることができる。
【００１７】
上記複合プリプレグ中のピッチ系低弾性繊維の重量は、ＰＡＮ系炭素繊維と上記ピッチ系低弾性繊維とを合計した強化繊維の全体重量に対して５ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下としている。それは５ｗｔ％より少ないと、衝撃強度の補強効果が小さくなるためであり、また、５０ｗｔ％より多いと、ＰＡＮ系炭素繊維による曲げ強度の補強効果がなくなってピッチ系低弾性繊維の強度が支配的となり曲げ強度が低下してしまうためである。好ましくは１０ｗｔ％以上３５ｗｔ％以下である。
【００１８】
また、上記複合プリプレグは、ＰＡＮ系炭素繊維とピッチ系低弾性繊維とからなる強化繊維重量を複合プリプレグ全体重量の６０％以上８０％以下としていることが好ましい。それは、８０％を越えると繊維の割合が多すぎて複合材としての物性が発現し難くなり、６０％未満であると軽量化出来ないと共に、樹脂部が多くなり過ぎるため所要の剛性や強度が得られにくくなる問題が発生することに因る。
【００１９】
上記複合プリプレグと、強化繊維を１種類の強化繊維、例えば４〜６μｍのＰＡＮ系炭素繊維のみを用いている他のプリプレグと積層して管状体を成形する場合、上記複合プリプレグは少なくとも管状体の最外層に積層していることが好ましい。
上記構成とすると、管状体に曲げ荷重を加えた場合に最も圧縮及び引張歪みが生じる最外層をＰＡＮ系炭素繊維とピッチ系低弾性繊維を強化繊維としている複合プリプレグにより構成しているため、該複合プリプレグの効果を最も発揮することができ、曲げ強度及び衝撃強度を向上させることができる。
【００２０】
本発明は、上記構成の繊維強化樹脂製の管状体からなるゴルフクラブシャフトを提供している。
上記管状体は、曲げ強度および衝撃強度を兼ね備えるため、インパクト時に発生する衝撃に十分耐え得る強度を備え、かつ、シャフトが撓る際に生じる曲げに対しても十分な強度を有するため、破損が発生しにくい。即ち、軽量でありながら、衝撃強度及び曲げ強度の高いゴルフクラブとすることができる。
【００２１】
管状体をゴルフクラブシャフトとする場合には、上記ＰＡＮ系炭素繊維とピッチ系低弾性繊維を強化繊維としている複合プリプレグを最外層のストレート層を構成するプリプレグとして用いることが好ましい。
また、上記複合プリプレグをヘッドと結合するシャフト先端の補強層として用いてもよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１及び図２は、本発明の実施形態のゴルフクラブシャフトを示し、シャフト１は直線状に拡径したテーパ形状としており、小径端側にヘッド２が取り付けられ、大径側にグリップ３が取り付けられている。
【００２３】
シャフト１は、炭素繊維を強化繊維としマトリクス樹脂を含浸させた複数のプリプレグを用い、該プリプレグを積層して金型で加熱硬化して管状体として成形したものである。
詳しくは、図２に示すプリプレグ１１〜１４を芯金（図示せず）に、順次、内周側から（プリプレグ１１→１２→１３→１４）巻き付けて積層した後、ポリプロピレン（ＰＰ）あるいはポリエステル等のテープでラッピングしてオーブン中で加熱加圧して樹脂を硬化させて一体的に成形し、その後、芯金を引き抜いて、シャフト１を形成している。
【００２４】
上記第一層目のプリプレグ１１と第二層目のプリプレグ１２はそれぞれ１種類の炭素繊維（ＰＡＮ系炭素繊維）を強化繊維Ｆ１１，Ｆ１２を用いたプリプレグからなり、プリプレグ１１の強化繊維Ｆ１１をシャフト軸線に対してー４５°の角度で傾斜させ、プリプレグ１２の強化繊維Ｆ１２はシャフト軸線に対して＋４５°の角度で傾斜させ、それぞれアングル層を構成している。上記プリプレグ１１、１２はシャフト全長に渡る長さとし、各々４回巻きしている。
【００２５】
第三層目のプリプレグ１３と第四層目のプリプレグ１４は、強化繊維Ｆ１３、Ｆ１４がシャフト軸線に対して略平行にして、シャフト全長に渡る長さで各々３回巻きしている。
第三層目のプリプレグ１３は強化繊維Ｆ１３としてＰＡＮ系炭素繊維２０とピッチ系低弾性炭素繊維統２１とを用いた複合プリプレグとしている。第四層目のプリプレグ１４も同様に、強化繊維Ｆ１４として、ＰＡＮ系炭素繊維２０とピッチ系低弾性炭素繊維統２１とを用いた複合プリプレグとしている。
【００２６】
上記ＰＡＮ系炭素繊維２０は、各繊維糸の弾性率は２００ＧＰａ以上５００ＧＰａ以下であり、太さが４〜６μｍである。このＰＡＮ系炭素繊維として６Ｋ（６０００本）の糸束を用いている。一方、上記ピッチ系低弾性炭素繊維２１は、各繊維糸の弾性率は４５ＧＰａ以上１６０ＧＰａ以下であり、太さは９〜１１μｍである。このピッチ系低弾性炭素繊維として３Ｋ（３０００本）の糸束を用いている。
【００２７】
上記ＰＡＮ系炭素繊維２０の束２０Ａとピッチ系低弾性炭素繊維の束２１Ａとを図３に示すように、一方向に交互に引き揃え、略０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍの同一高さとして、上下からマトリクス樹脂２３を含浸させた複合プリプレグ１３、１４としている。
上記のように複合プリプレグは、細いＰＡＮ系炭素繊維２０が表面に位置する部分では表面の凹凸ＳＣ１がピッチ系低弾性炭素繊維２１が表面に位置する部分の表面凹凸ＳＣ２より小さくなり、その結果、複合プリプレグの表面の凹凸が平均して少なくなる。よって、表面の凹部に充填されるマトリクス樹脂量２３が低減するため、複合プリプレグ２０の表面樹脂量が低減する。
【００２８】
上記ＰＡＮ系炭素繊維２０とピッチ系低弾性炭素繊維２１とからなる強化繊維Ｆ１３は複合プリプレグ１３の全体重量の６０％〜８０％とし、ピッチ系低弾性炭素繊維２１が強化繊維Ｆ１３に占める割合を５％〜５０％としている。複合プリプレグ１４も複合プリプレグ１３と同様としている。
【００２９】
上記構成からなるシャフト１では、曲げ強度に優れたＰＡＮ系炭素繊維２０と衝撃強度に優れたピッチ系炭素繊維２１とを強化繊維とした複合プリプレグ１３、１４を用いているため、曲げ強度及び衝撃強度共に優れたものとなる。
よって、このシャフトを用いたゴルフクラブは軽量でありながら、曲げ強度及び衝撃強度に優れたものとなる。
【００３０】
図４は変形例を示し、シャフト１のヘッド取付側の最外周面に、複合プリプレグ３０を積層している。
アングル層１１、１２は上記実施形態と同様であり、ストレート層のプリプレグ１３’、１４’は複合プリプレグではなく、プリプレグ１１、１２と同様な一種類の強化繊維Ｆ１３’、Ｆ１４’からなる。
【００３１】
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、プリプレグ層の間にシャフトの全長あるいは部分的に配置してもよい。また、シャフト軸線と平行はストレート層のプリプレグのみではなく、シャフト軸線に対して繊維方向を傾斜するアングル層あるいはシャフト軸線に対して繊維方向を直角方向としたフープ層を構成するプリプレグとして用いてもよい。
また、ゴルフクラブのシャフトの他、釣竿となる管状体としてもよい。
【００３２】
以下、本発明の繊維強化樹脂製の管状体の実施例、比較例について詳述する。実施例及び比較例の繊維強化樹脂製の管状体は共に、内径φ６ｍｍ、外径φ９ｍｍ、長さ２００ｍｍとした。
【００３３】
【表１】
2004130564.tif 000003
【００３４】
（実施例１）
上記実施形態のシャフト１と同様の構成の図２に示すプリプレグ１１〜１４を用いて作製した。また、複合プリプレグ１３、１４では、それぞれＰＡＮ系炭素繊維の割合を８０％、ピッチ系炭素繊維の割合を２０％とした。
（実施例２）
実施例１に対して、複合プリプレグではＰＡＮ系炭素繊維の割合を５０％、ピッチ系炭素繊維の割合を５０％とした点のみを変えた。
（実施例３）
実施例に対して、複合プリプレグではＰＡＮ系炭素繊維の割合を２０％、ピッチ系炭素繊維の割合を８０％とした点のみを変えた。
【００３５】
（比較例）
比較例のシャフトは、アングル層のプリプレグ１１、１２の外周に巻き付けるストレート層の２枚のプリプレグとして、複合プリプレグを用いず、アングル層のプリプレグと同様にＰＡＮ系炭素繊維のみからなるプリプレグを用いた。
【００３６】
上記実施例及び比較例のシャフトについて、後述する方法により曲げ強度及び衝撃強度を測定した。測定結果を上記表１に示す。
【００３７】
（曲げ強度の測定方法）
製品安全協会の定める「ゴルフクラブ用シャフトの認定基準及び基準確認方法」（通商産業大臣承認５産第２０８７号）の３点曲げ試験に準ずる方法でＴ点の曲げ強度を測定した。スパンを１５０ｍｍとした。
【００３８】
（衝撃強度の測定方）
（株）米倉製作所製の落錘型衝撃試験機（ＩＩＴＭ−１８）により、図５に示すように、片持ち曲げ衝撃試験を行った。
該衝撃試験は、繊維強化樹脂製管状体の一端から５０ｍｍの位置を固定し、固定端から１００ｍｍの位置に８００ｇの重錘Ｗを１５００ｍｍの上方から衝突させて衝撃荷重を加えた。重錘に加速度計を取り付け、該加速度計をＡＤ変換器を介してＦＦＴに接続し、図６に示すように、繊維強化樹脂製管状体に加わる衝撃曲げ荷重と繊維強化樹脂製管状体の変位量を測定し、破壊が始まるまでの衝撃吸収エネルギーを計算した。
【００３９】
上記表１に示すように、ＰＡＮ系炭素繊維とピッチ系炭素繊維を強化繊維とした複合プリプレグを用いた実施例１〜３は、ＰＡＮ系炭素繊維のみを強化繊維とした比較例と比較して衝撃強度が高いことが確認できた。
また、複合プリプレグにおいてピッチ系低炭素繊維の割合を５０重量％以下とした実施例１、２のシャフトは比較例のシャフトより曲げ強度も高いことが確認できた。
一方、ピッチ系炭素繊維の割合を５０重量％を越える８０重量％とした実施例３は曲げ強度が実施例１、２および比較例よりも低かったため、衝撃強度と共に曲げ強度も高めるためにはピッチ系低弾性炭素繊維の割合を５０重量％以下にすることが良いことも確認できた。
【００４０】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、曲げ強度に優れたＰＡＮ系炭素繊維と衝撃強度に優れたピッチ系炭素繊維とを強化繊維した複合プリプレグを用いることにより、ゴルフクラブシャフト等の繊維強化樹脂製の管状体を曲げ強度及び衝撃強度を共に優れたとすることができる。
具体的には、太さの異なるＰＡＮ系炭素繊維とピッチ系炭素繊維を複合させることにより、凹凸が小さくなり、プリプレグ表層の樹脂を減らして、層間の樹脂層を薄くすることができる。これにより、層間でのせん断力を高め、耐衝撃性に優れた繊維強化樹脂製管状体とすることができる。
また、複合プリプレグを用いることで、プリプレグの積層構成や積層量に関係なく、どのような積層構成にしても安定して高強度が得られるため設計の自由度を増すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の繊維強化樹脂製管状体からなるゴルフクラブシャフトを用いたゴルフクラブの概略図である。
【図２】実施形態のゴルフクラブシャフトに用いるプリプレグの積層構成を示す図面である。
【図３】複合プリプレグの構成を示す概略断面図である。
【図４】変形例を示す図面である。
【図５】衝撃強度の測定方法を示す図面である。
【図６】シャフトに負荷された衝撃曲げ荷重とシャフトの変位との相関関係を示す図面である。
【符号の説明】
１　シャフト
２　ヘッド
３　グリップ
１１，１２　強化繊維が１種類のプリプレグ
１３、１４　複合プリプレグ
２０　ＰＡＮ系炭素繊維
２１　ピッチ系低弾性炭素繊維
２３　マトリクス樹脂
Ｆ１１〜１４　強化繊維
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004130564.tif 000008
【図６】
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