(57)【要約】【課題】組物でシャフト部材を作製する際に、曲げ剛性を高めると共に、耐衝撃性をも向上させることのできる組物の積層構造を提供することである。【解決手段】ブレイディング組成時に、組角度を小とする外層と、組角度を大とする内層との積層構造であると共に、前記外層と内層との間に、組角度が小で衝撃吸収用繊維（高強力ポリアリレート繊維）から組成される中間層を備える構成とした。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトを形成する複数層からなる組物の積層構造において、
組角度を小とする外層と、組角度を大とする内層とを有すると共に、
前記外層と内層との間に、組角度が小で衝撃吸収用繊維から組成される中間層を配設することを特徴とする組物の積層構造。
【請求項２】
シャフトを形成する複数層からなる組物の積層構造において、
層間剥離を起こしにくく且つ曲げ剛性が高い外層と、
管強度が強い内層と、
衝撃吸収繊維から組成され耐衝撃性を有する中間層とを備えることを特徴とする組物の積層構造。
【請求項３】
前記衝撃吸収用繊維が高強力ポリアリレート繊維であることを特徴とする請求項１または２に記載の組物の積層構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブレイディング組成による組物層からなる繊維強化複合材料のシャフト部材の製造方法に係り、特に耐衝撃性、曲げ剛性が向上する組物の積層構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ガラス繊維や炭素繊維、あるいはナイロン繊維等の高強力糸条よりなる組物構造体で樹脂製のライナーを被覆した繊維強化プラスチック（Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｐｌａｓｔｉｃｓ：以下、ＦＲＰという。）でパイプやシャフトが製造されている。代表例としてはカーボン繊維を混入したカーボンシャフトと呼ばれるシャフトが知られている。
【０００３】
このようなカーボンシャフトの製造は、一般にシートワインディング法とフィラメントワインディング法とが知られている。シートワインディング法では、ガラス繊維や炭素繊維等を多数並列してエポキシ樹脂等で固めシート状としたプリプレグを複数層重ね巻きして真直なシャフトを成形し、これをオーブン又は金型に装填して加熱硬化する方法が採用されている。
【０００４】
また、フィラメントワインディング法としては、特開平８−８９６０１号公報や特開平１１−３４２２３３号公報に記載されているような方法がすでに公開されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平８−８９６０１号公報に記載されている製造方法では複数層のフィラメントワインディング層から構成されるラケットフレームが開示されてはいるが、内側の層の組角度が小さく外側の層の組角度が大きいとしている。これは、ガット孔付近の強度を向上させるためであり、耐衝撃性を向上させるための工夫はなされていない。また、特開平１１−３４２２３３号公報に開示されている製造方法では、内層、外層をそれぞれ炭素繊維から構成すると共にそれぞれの組角度について、内層は±２０〜６０°、外層は０〜±２０°の組糸と中央糸とを備えることが言及されている。しかし、この組角度の目的は、曲げ剛性とせん断強度を向上させると共に、表面の凹凸を最小限とすることであって、シャフトの耐衝撃性を向上させるための工夫はなされていない。
【０００６】
本発明の目的は、組物で中空部材を作製する際に、曲げ剛性、せん断強度を高めると共に、耐衝撃性をも向上させることのできる組物の積層構造を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために請求項１に係る発明は、シャフトを形成する複数層からなる組物の積層構造において、組角度を小とする外層と、組角度を大とする内層とを有すると共に、前記外層と内層との間に、組角度が小で衝撃吸収用繊維から組成される中間層を配設することを特徴としている。
【０００８】
上記の構成を有する請求項１に係る発明によれば、せん断強度を向上させる外層構造と管強度を向上させる内層構造とを備えると共に、さらには耐衝撃性をも向上させる組物部材を製造可能な積層構造を得ることができる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、シャフトを形成する複数層からなる組物の積層構造において、層間剥離を起こしにくく且つ曲げ剛性が高い外層と、管強度が強い内層と、衝撃吸収繊維から組成され耐衝撃性を有する中間層とを備える積層構造であることを特徴としている。
【００１０】
上記の構成を有する請求項２に係る発明によれば、管が曲げられた際に先ず荷重がかかる外層が剥離しにくく、且つ曲げ剛性が高いために曲げ強度が効果的に発現される。さらに、内層の管強度が強いと共に、耐衝撃性を有する中間層を備えているために、ねばりのある耐衝撃性を有する組物部材を得ることができる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、前記衝撃吸収用繊維が高強力ポリアリレート繊維であることを特徴とする。
【００１２】
上記の構成を有する請求項３に係る発明によれば、中間層に高強力な熱に強く、さらには水や湿気をほとんど吸収しない繊維を使用することで、さらに耐衝撃性が高くて、層間剥離がしにくい組物の積層構造とすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る組物の積層構造の実施の形態について、図１から図５に基づいて説明する。
【００１４】
図１は本発明に係る組物の積層構造を示す概略説明図である。図２は組角度を説明する概略図であり、（ａ）は組角度が小である模式図であって、（ｂ）は組角度が大である模式図を示す。図３は組物で構成された中空パイプの耐衝撃性をテストしたところを示し、（ａ）はテスト装置の概略説明図であって、（ｂ）にはテスト結果を示す。図４はブレイダーの一例を示す概略的な正面図であり、図５は図４に示したブレイダーの概略側断面図である。
【００１５】
図４および図５にもとづき、本発明に係る組物構成の中空パイプを製造するブレイダーの一構成例について説明する。ブレイダーＢＲは、ブレイダー本体Ｂｂとマンドレル移動装置Ｂｍから構成されている。この発明の適用例において、前記マンドレル移動装置Ｂｍは、マンドレルｍの位置を制御するための装置であり、マンドレルｍを把持して水平移動および回転動作を行うものである。詳細については特開平８−２４６３０４号公報に記載されているブレイダーと同等であるのでここでは詳述しない。
【００１６】
前記ブレイダー本体Ｂｂは、軸線が水平で一側に開口ｅを有するほぼ円筒状の機台Ｆｂ内に配置された曲率半径Ｒの曲面状の上板Ｕと、上板Ｕの周方向に穿設された軌道に沿って走行するボビンキャリアーＣと、ボビンキャリアーＣを軌道に沿って走行させるための駆動装置Ｄと、糸条案内装置Ｇを有している。
【００１７】
そして、ボビンキャリアーＣに載置されたボビンからボビンの軸線方向に引き出される糸条Ｙ（熱硬化性樹脂または熱可塑性繊維を含浸してある糸条あるいは紐状のプリプレグ、例えばガラス繊維や炭素繊維）が上板Ｕのほぼ中心に集合し、また、マンドレル移動装置Ｂｍに取り付けられたマンドレルｍの位置は、マンドレルｍ上に形成される組物の組み上げ点Ｐが上板Ｕの中心に位置するようになっている。マンドレル移動装置Ｂｍは、マンドレルｍを一次元、二次元あるいは三次元的に位置制御することができる。
【００１８】
こうして、ボビンキャリアーＣが駆動装置Ｄによって軌道に沿って走行させられるとともに、マンドレルｍの位置がマンドレル移動装置Ｂｍによって制御され、その結果、多数の糸条Ｙが交錯し、また、必要に応じて、機台ＦｂのフレームＦｂ’にほぼ水平に配置されたボビンキャリアーＣから中糸用糸条ｙが、軌道に沿って走行するボビンキャリアーＣから巻き戻され組み上げられる糸条Ｙに交絡することにより、ブレイディングが行われて種々の形状のマンドレルｍ上に組物が組み上げられる。
【００１９】
ブレイディングによる組物作製が完了した後、適当な切断装置によって糸条Ｙおよびｙが切断され、完成した組物を備えたマンドレルｍは、マンドレル移動装置Ｂｍから取り外される。
【００２０】
図１に示す積層構造の組物は３層構造の中空シャフトであり、マンドレルｍ上に、内層３が組角度大として組成されており、中間層２および外層１が組角度小として組成されているものである。ここで組角度について説明する。組角度とはシャフト軸と組物とのなす角度をいい、組角度小とは組物がシャフト軸と平行に近い角度（０°に近い）をいい、組角度大とはシャフト軸と直交する方向に近づく角度であることをいう。また、ここではシャフト軸に対して左右対称の組角度を有する組物とした。
【００２１】
内層および外層は熱硬化性樹脂（例えばエポキシ樹脂）が含浸された炭素繊維をプリプレグとして使用し、それぞれ上記のブレイディング操作により組紐構成されたものである。中間層には衝撃吸収性繊維を使用する構成とし、ここでは高強力ポリアリレート繊維（例えばベクトラン（登録商標））を使用して組成体を構成した。
【００２２】
また、それぞれの組成構造として軸線方向（組角度０°）に中糸を挿入した構成とし、曲げ剛性をさらに向上する組成構造としてもよい。また、熱硬化性樹脂に代えて熱可塑性樹脂（例えばポリエチレン樹脂）を成形用樹脂として採用することもできる。
【００２３】
外層１の組成構造は図２（ａ）に示す組角度小（α１）の組成構造であって、組角度小の状態で成形を行うとプリプレグ繊維が開繊状態で成形されて、上下の繊維同士がよく重なり合うことで層間剥離が起こり難くなる。つまり上下の層のつながりが強固になるために、層間のせん断強度が強くなる。そのために、曲げ剛性を向上させることができる。
【００２４】
内層３の組成構造は図２（ｂ）に示す組角度大（α３）の組成構造であって、この組角度構成においては、プリプレグ繊維を密に組成することができ、シャフトまたはパイプの径方向に強度が増加することになって、管強度を向上させることができる。また、中間層２に衝撃吸収用繊維としてベクトラン繊維を組角度小（α１）として挿入したので、シャフトまたはパイプの曲げ方向の衝撃荷重に対して強度をさらに向上させることができる。
【００２５】
外層１と内層３とに炭素繊維を採用した本実施例においては、素材自体が高強力で且つ高弾性率繊維であるために、せん断強度と曲げ剛性が向上する組成構造と相まって、さらに高強度な組物によるパイプを得ることができる。
【００２６】
また、組成後の層間剥離強度を向上させるために、強化繊維と該繊維に含浸させる樹脂とを適宜選択して組み合わせてもよい。しかし、この場合でも、組成時の組角度を考慮すると、さらに層間剥離強度を強くすることが可能となる。
【００２７】
内層３の組角度を±４５〜６０°と大きくし、中間層２と外層３の組角度を±１０〜３５°と小さくしてブレイディング組成した中空シャフトを、図３（ａ）に示す耐衝撃性テストを実施した。その結果を図３（ｂ）に示す。所定荷重Ｗの錘を所定角度θ（８０°、１００°、１２０°の３段階）振り上げた位置から落下させて、試験片１０（中空シャフト）に衝突させた際に、試験片１０が分割される様を測定した。
【００２８】
外層１、中間層２、内層３にすべてカーボン（炭素繊維）を使用して製造した組物の例では、角度８０°から振り下ろした際には分割されずに、連結した状態を保ったが、１００°、１２０°から振り下ろした際には、衝撃に耐えられずに分割（破断）した。しかし、中間層２に衝撃吸収用繊維としてベクトラン繊維を使用して製造した組物の例では、全ての落下試験において試験片１０が分割されない結果となった。つまり、中間層２に衝撃吸収用繊維（高強力ポリアリレート繊維）を使用した中空シャフトは、同じ組成構造のカーボンシャフトと比較しても耐衝撃性に優れていることが実証された。
【００２９】
このために、中間層２に衝撃吸収用繊維を挿入して組成すると、耐衝撃性に対して優れた効果を有する中空シャフト（シャフト部材）を得ることができる。さらには、高強力ポリアリレート繊維は、アラミド繊維とほぼ同じ強度を持ちながら、水や湿気をほとんど吸収しないために、ブレイディング組成後の成形時において加熱処理を行う際に、各層間から水分の分離が発生せずに、層間剥離がおこりにくい積層構造を得ることができる。
【００３０】
上記のように、衝撃吸収用繊維として利用できる繊維は、アラミド繊維やポリアリレート繊維のように、高強力で高弾性率を有しかつ熱に強い繊維であればよい。さらには、吸湿性の低い繊維であれば、加熱処理時に層間剥離が発生しにくくなり、組物を組成する繊維として好適である。
【００３１】
このように、組物でシャフト部材等を作製する際に、高強度なシャフト部材を得ようとする時に、高価なアラミド繊維等を使用し、素材の質を向上させて高強度な組物を得ることも可能であるが、組物の積層構造と各層に使用する素材を考慮することによって、比較的安価に入手可能な炭素繊維等を使用しても、曲げ剛性が強くて、且つ、耐衝撃性の高い組物を得ることができる。
【００３２】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、シャフトを形成する複数層からなる組物の積層構造において、組角度を小とする外層と、組角度を大とする内層とを有すると共に、前記外層と内層との間に、組角度が小で衝撃吸収用繊維から組成される中間層を配設する積層構造としたので、せん断強度を向上させる外層構造と管強度を向上させる内層構造とを備えると共に、さらには耐衝撃性をも有する組物部材を得ることができる。
【００３３】
請求項２に係る発明によれば、シャフトを形成する複数層からなる組物の積層構造において、層間剥離を起こしにくく且つ曲げ剛性が高い外層と、管強度が強い内層と、衝撃吸収繊維から組成され耐衝撃性を有する中間層とを備える積層構造としたので、管が曲げられた際に先ず荷重がかかる外層が剥離しにくく、且つ曲げ剛性が高いために曲げ強度が効果的に発現される。さらに、内層の管強度が強いと共に、耐衝撃性を有する中間層を備えているために、ねばりのある耐衝撃性を有する組物部材を得ることができる。
【００３４】
請求項３に係る発明によれば、高強力ポリアリレート繊維を前記衝撃吸収用繊維として使用したので、中間層に高強力な熱に強く、さらには水や湿気をほとんど吸収しない繊維を使用することで、さらに耐衝撃性が高くて、層間剥離がしにくい組物の積層構造とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る組物の積層構造を示す概略説明図である。
【図２】組角度を説明する概略図であり、
（ａ）は組角度が小である模式図であり、
（ｂ）は組角度が大である模式図を示す。
【図３】組物で構成された中空パイプの耐衝撃性をテストしたところを示し、
（ａ）はテスト装置の概略説明図であり、
（ｂ）はテスト結果を示す。
【図４】ブレイダーの一例を示す概略的な正面図である。
【図５】図４に示したブレイダーの概略側断面図である。
【符号の説明】
１　外層
２　中層
３　内層
１０　試験片（中空シャフト）
ＢＲ　ブレイダー
ｍ　マンドレル
α　組角度
α１　組角度小
α３　組角度大
θ　角度
【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】
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