(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼカップ状をなす回転体であって、中心部に回転軸と結合されるセンタボスを有する回転体において、
外周側側壁部が円周方向に強化繊維が配向した一方向材から成る繊維強化樹脂成形体から構成され、
底部が強化繊維の配向方向が回転軸を中心に円周方向にほぼ等間隔にずれて擬似等方性をなすように積層された複数枚の繊維強化樹脂シートの積層成形体から構成され、
センタボスが短繊維をランダムに配向した繊維強化樹脂成形体から構成され、
前記外周側側壁部と前記底部と前記センタボスとが互いに一体的に結合成形されていることを特徴とする回転体。
【請求項２】
外周側側壁部と底部とのコーナに半径方向に連続する強化繊維を配向した繊維強化樹脂の連結体が介在されることを特徴とする請求項１に記載の回転体。
【請求項３】
センタボスが一方向に強化繊維を配向したストランドを切断したチョップドストランドを成形して成ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転体。
【請求項４】
外周側側壁部の外周面上に削取ることが可能なバランス調整部を外周側に突出するように形成したことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の回転体。
【請求項５】
底部の外表面上に削取ることが可能なバランス調整部を突設したことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の回転体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転体に係り、とくにカップ状をなす回転体であって、中心部に回転軸と結合されるセンタボスを有する回転体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば特開昭５６−５８００４号公報には、繊維状補強材と熱硬化性樹脂から成るポットにおいて、側壁が炭素繊維および芳香族ポリアミド繊維から選ばれた少なくとも１種によって補強され、かつポットテールが炭素繊維および芳香族ポリアミドから選ばれた少なくとも１種によって円周方向に補強されると同時に炭素繊維、芳香族ポリアミド繊維およびガラス繊維から選ばれた少なくとも１種によって半径方向にも補強されている人造繊維紡糸用ポットが開示されている。
【０００３】
また特開昭５８−７４３２１号公報には、補強用繊維の平均繊維長が１０〜５０ｍｍで、かつその体積含有率が３０〜７０％なる幅１〜２０ｍｍ、長さ１０〜５０ｍｍなる板状または棒状の複合材料成型素材を金型中に挿填して加熱、加圧成形するようにしたＦＲＰ成形物の成形方法が開示されている。
【０００４】
また特公平５−１５８０２号公報には、側壁部全体が、ポットの回転方向に対して０度〜±２０度の範囲内で配向した繊維で強化され、さらに側壁部上部のポット蓋取り付け溝部は±３０〜±６０度の範囲で配向した繊維で強化された補強層を併せ持つ繊維強化熱硬化性樹脂から成り、底部およびテール部がランダムに配向した１〜１００ｍｍの短繊維で強化された繊維強化熱硬化性樹脂から成り、かつ各部の繊維含有率が３０〜７０体積％である紡糸用ポットが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のそれぞれの公報に開示されている回転体は繊維強化樹脂成形体から成る回転体であって、起動時のエネルギが大きくて起動時間および制動時間が長い金属製の回転体の欠点を解消するものである。
【０００６】
ところが特開昭５６−５８００４号公報に記載の人造繊維紡糸用ポットは、その側壁部をフィラメントワインド法によって成形し、底部を半径方向に配向した強化繊維によって強化するようにしているが、成形性および加工性に問題を有するものである。とくに底部を半径方向に配向した強化繊維で強化すると、中心部と外周部とで強化繊維の密度が異なり、厚さが不均一になる。
【０００７】
特開昭５８−７４３２１号公報の成形方法は、強化繊維が短繊維の状態で流動成形されたものであるために、炭素繊維から成る強化繊維が必ずしも効果的な補強効果を発揮することができず、強化繊維によって所期の強度を発揮できず、また強度不足になる問題がある。
【０００８】
また特公平５−１５８０２号公報の紡糸用ポットは、その底部が短繊維の流動成形によって成形されており、強化繊維の方向が必ずしも最大の補強効果を有するように半径方向に一様に配向したものではない。従ってこのようなポットは底部の薄肉化を行なうと、強度低下を起す可能性がある。また表面精度が不良になる欠点を有している。
【０００９】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであって、薄肉であってしかも強化繊維によって効果的に補強された回転体を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願の一発明は、ほぼカップ状をなす回転体であって、中心部に回転軸と結合されるセンタボスを有する回転体において、
外周側側壁部が円周方向に強化繊維が配向した一方向材から成る繊維強化樹脂成形体から構成され、
底部が強化繊維の配向方向が回転軸を中心に円周方向にほぼ等間隔にずれて擬似等方性をなすように積層された複数枚の繊維強化樹脂シートの積層成形体から構成され、
センタボスが短繊維をランダムに配向した繊維強化樹脂成形体から構成され、前記外周側側壁部と前記底部と前記センタボスとが互いに一体的に結合成形されていることを特徴とする回転体に関するものである。
【００１１】
ここで外周側側壁部と底部とのコーナに半径方向に連続する強化繊維を配向した繊維強化樹脂の連結体が介在されてよい。またセンタボスが一方向に強化繊維を配向したストランドを切断したチョップドストランドを成形して成るものであってよい。また外周側側壁部の外周面上に削取ることが可能なバランス調整部を外周側に突出するように形成してよい。また底部の外表面上に削取ることが可能なバランス調整部を突設してよい。
【００１２】
ここで使用される強化繊維としては、一般に繊維強化樹脂複合材料における強化繊維として使用される強化用繊維群であってよい。具体的には、無機繊維、有機繊維、金属繊維、金属被覆繊維またはそれらの混合から成り、無機繊維としては炭素繊維、黒鉛繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、タングステンカーバイト繊維、ボロン繊維、ガラス繊維等が用いられてよい。有機繊維の場合にはアラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維等の有機繊維が挙げられる。また金属繊維としては、ステンレス繊維が挙げられる。金属被覆繊維としては、上記の無機繊維および有機繊維の表面にニッケル、銅等の金属層を電解メッキまたは無電解メッキによって形成した繊維であってよい。とくに高速回転体用の強化繊維としては、比強度および比弾性率が高い炭素繊維あるいは黒鉛繊維が好ましい。
【００１３】
これに対して強化繊維を一方向に引揃えた繊維シートあるいは強化繊維織物に含浸されるマトリックス樹脂としては、通常強化繊維複合材料のマトリックス樹脂として用いられている熱硬化性樹脂であってよく、とくにエポキシ樹脂が好適に使用される。エポキシ樹脂硬化剤は、エポキシ基と反応し得る活性基を有する化合物であれば用いることができる。好ましくは、アミノ基、酸無水物基、アジド基を有する化合物が適している。具体的にはジシアンジアミド、ジアミノジフェニルスルホンの各種異性体やアミノ安息香酸エステル類が適している。エポキシ樹脂以外の熱硬化性樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂等が使用される。
【００１４】
なお一方向強化繊維シートあるいは強化繊維織物に含浸する熱硬化性樹脂に熱可塑性樹脂を混合して用いることも好適である。好適な熱可塑性樹脂としては、ポリアクリレート、ポリアミド、アラミド、ポリエステル、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン等である。これらの熱可塑性樹脂を併用することによって、靭性の高い繊維強化樹脂成形物を供給することが可能になる。
【００１５】
【作用】
本願の上記一発明によれば、円周方向に強化繊維が配向した外周側側壁部と、強化繊維の配向方向が回転軸を中心に円周方向にほぼ等間隔にずれて擬似等方性をなすように積層された複数枚の繊維強化樹脂シートの積層成形体から成る底部と、短繊維をランダムに配向した成形体から成るセンタボスとを備える回転体が得られることになる。そしてここでとくに外周側側壁部と底部とが所定の方向に強化繊維が配列されているために、外周側側壁部と底部とについて極めて高い補強効果を強化繊維によってもたらすことが可能になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１〜図３は本発明の一実施の形態に係るカップ状回転体を示すものであって、このカップ状回転体は外周側側壁部１０と、底部１１と、そして中央部に突出するセンタボス１２とから構成されている。そしてこれらの外周側側壁部１０、底部１１、およびセンタボス１２は何れも炭素繊維強化樹脂から構成されており、これらが互いに一体的に結合した状態で成形されている。
【００１７】
外周側側壁部１０は高速回転時にこの回転体の質量等によって遠心力を受けるために、これに耐える構造としている。すなわち図４に示すように円周方向に連続繊維を配向したプリプレグ１６を成形したものである。このような構造は金型の凸部の外周面上に一方向プリプレグ１６を巻回して成形して得られる。なお一方向プリプレグ１６に代えて、フィラメントワインド法によって外周側側壁部１０を成形するようにしてもよい。
【００１８】
次にこの回転体の底部１１は、図５に示すように、円形であって中心部が打抜かれて開口になっているプリプレグ１７を複数枚用意し、これらのプリプレグ１７の強化繊維の配向方向が円周方向にほぼ等間隔ずれて擬似等方性を有するように積層して成形したものである。
【００１９】
それぞれのプリプレグ１７の強化繊維の配向方向の円周方向のずれは、例えば図５に示すように２２．５度であって、０°／２２．５°／４５°／６７．５°／９０°／１１２．５°／１３５°／１５７．５°の角度で積層配列されてよい。あるいはまた図６に示すように３０度のずれで、０°／３０°／６０°／９０°／１２０°／１５０°の角度で積層されたものであってよい。その他に４５度のピッチでずれた状態で、すなわち０°／４５°／９０°／１３５°の角度で順次積層するようにしてもよい。なお経方向と緯方向とが等しい強化繊維織物の場合は、０°／４５°、０°／３０°／６０°、あるいは０°／２２．５°／４５°／６７．５°のようにずれた角度で積層してよい。すなわち強化繊維の配向方向を円周方向にほぼ等間隔にずらすずれ角度は、任意に設定されてよい。なお複数枚のプリプレグ１７あるいは強化繊維織物の積層方向の配列は、必ずしも強化繊維１７の配向方向が円周方向にほぼ等間隔にずれる順番と一致する必要はない。
【００２０】
このように底部１１を、織物プリプレグまたは一方向プリプレグ１７を強化繊維の方向が回転軸を中心に円周方向にほぼ等間隔にずれて擬似等方性をなすように積層した場合には、半径方向に高い補強効果を有することが可能になり、薄肉でしかも高い表面精度を有する回転体を提供することが可能になる。このために回転時における遠心力に対して高い抗力を発生することが可能になり、とくに高速回転時においてこの回転体の質量等による遠心力を効果的に受けることが可能になる。
【００２１】
次にセンタボス１２は、一方向プリプレグを一定の長さでカットしたチョップドストランドプリプレグを充填圧縮流動成形したものであって、センタボス１２の形状に応じた複雑な形状をニアネットシェープ成形加工したものである。ここでセンタボス１２の内部には、回転軸が挿入されて結合されるテーパ穴１３が一体にニアネットシェープ成形加工されている。なお回転軸との係合のための構造は必ずしもテーパ穴に限らず、内歯歯車、スプライン、セレーション溝等の各種の係合構造が利用可能である。
【００２２】
ニアネットシェープ成形加工は、切削加工せずに成形によって最終形状に仕上げるようにしたものであって、このために成形後の切削加工による補強繊維の切断を回避することが可能になる。また取付け治具に対応する加工、すなわちねじ、スプライン、セレーション溝、キー溝等の加工を成形時に同時に行なうことが可能になり、加工性に優れた回転体になる。なおこのときにセンタボス１２の一部が剥離したり欠けることがない。
【００２３】
次に外周側側壁部１０と底部１１とのコーナ部は、図７に示すように連結用プリプレグ２０によって連結するようにしている。連結用プリプレグ２０としてドーナッツ形状の織物プリプレグを用意し、その外周側に半径方向に切込みを入れて積層したものを用いる。なお底部に積層する織物プリプレグ１７を半径方向外周側に延出して大きめにカットし、外周に切込みを入れて用いることも可能である。またカットしたテーププリプレグや、長方形に切断した織物プリプレグを半径方向に積層した状態で用いるようにしてもよい。
【００２４】
このように外周側側壁部１０と底部１１とのコーナ部を連結用プリプレグ２０によって図７に示すように連結して成形するために、連結部が高い強度をもつようになり、遠心力によってこの連結部が分離破壊することがない。
【００２５】
また底部１１とセンタボス１２との連結部は図８に示すように、底部１１を構成する織物プリプレグまたは一方向プリプレグ１７の積層体の内側端部がセンタボス１２を構成するチョップドストランド２１によって上下から挟着されるようにし、これによってセンタボス１２と底部１１との結合を図っている。
【００２６】
またこの回転体は図２および図７に示すように、外周側側壁部１０の外周面上であってその上端側にバランス調整部２４を有し、また底部１１の底面であってその外周側の部分にバランス調整部２５を有している。なおこれらのバランス調整部２４、２５は、バランス調整部２４、２５を形成する部分に肉盛りを行なったり、チョップや一方向プリプレグ、あるいは織物を充填して積層するようにしてもよい。
【００２７】
次にこのような回転体の成形について図９および図１０を参照して説明する。ここでは上下一対の金型３１、３２が用いられる。そして図９に示すように金型３２の凸部３３の外周面上に外周側側壁部１０を構成する一方向プリプレグ１６を巻付けるか、筒状に予備成形したプリプレグ１６を挿入する。またこの凸部３３の上面に底部を構成する一方向プリプレグ１７または織物プリプレグを載置する。また金型３２の凸部３３の中心部に形成されている凹部３４にチョップドストランド２１を充填する。
【００２８】
このような状態において図１０に示すように、上下の金型３１、３２を閉じ、プリプレグ１６、１７、２０、２１を構成するマトリックス樹脂、例えばエポキシ樹脂の熱硬化温度まで加熱しながら加圧する。これによって図１０に示すように、キャビティ３６の形状に対応した回転体が図１〜図３に示すような形状に成形される。従ってこのような方法によれば、高い遠心力に耐える高速回転型の回転体を簡潔な工程によって成形することが可能になる。このような回転体はレーヨン紡糸用ポット、遠心分離機の回転体等に広く利用可能である。
【００２９】
次に別の実施の形態を図１１および図１２によって説明する。この実施の形態は、高速回転体であって、しかも外周側側壁部１０およびセンタボス１２の軸線方向の寸法を小さくしたものである。またこのような回転体は、底部１１の外周側の底面にバランス調整部２５を有しているが、外周側側壁部１０の外周面上にはバランス調整部を有していない。また回転軸と結合されるセンタボス１２の貫通孔が非円形の異形穴２８から構成されている。なおそれ以外の構成は上記第１の実施の形態と同様である。
【００３０】
【発明の効果】
本願の一発明は、ほぼカップ状をなす回転体であって、中心部に回転軸と結合されるセンタボスを有する回転体において、外周側側壁部が円周方向に強化繊維が配向した一方向材から成る繊維強化樹脂成形体から構成され、底部が強化繊維の配向方向が回転軸を中心に円周方向にほぼ等間隔にずれて擬似等方性をなすように積層された複数枚の繊維強化樹脂シートの積層成形体から構成され、センタボスが短繊維をランダムに配向した繊維強化樹脂成形体から構成され、外周側側壁部と底部とセンタボスとが互いに一体的に結合成形されるようにしたものである。
【００３１】
従ってこのような回転体によれば、外周側側壁部が円周方向に強化繊維が配向されるとともに、底部が強化繊維の配向方向が回転軸を中心として円周方向にほぼ等間隔にずれて擬似等方性を有するように構成されているために、このような回転体を高速回転させた場合における遠心力を上記の外周側側壁部と底部とによって効果的に受けることが可能になり、軽量で高速回転に耐える高性能の回転体が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】回転体の平面図である。
【図２】同回転体の縦断面図である。
【図３】同回転体の外観斜視図である。
【図４】外周側側壁部を構成するプリプレグの外観斜視図である。
【図５】底部を構成する一方向プリプレグの配列を示す分解斜視図である。
【図６】底部を構成する一方向プリプレグの別の配列を示す分解斜視図である。
【図７】外周側側壁部と底部との連結の構造を示す要部断面図である。
【図８】底部とセンタボスとの連結の構造を示す要部縦断面図である。
【図９】回転体を成形する金型の開いた状態の縦断面図である。
【図１０】同金型を閉じて成形している状態を示す縦断面図である。
【図１１】別の実施の形態の回転体の平面図である。
【図１２】同回転体の縦断面図である。
【符号の説明】
１０  外周側側壁部
１１  底部
１２  センタボス
１３  テーパ穴
１６  一方向プリプレグ（側壁）
１７  一方向プリプレグ（底部）
２０  連結用プリプレグ
２１  チョップドストランド
２４、２５  バランス調整部
２８  異形穴
３１  金型（上）
３２  金型（下）
３３  凸部
３４  凹部
３６  キャビティ
【図１】
0004353599.tif 000002
【図２】
0004353599.tif 000003
【図３】
0004353599.tif 000004
【図４】
0004353599.tif 000005
【図５】
0004353599.tif 000006
【図６】
0004353599.tif 000007
【図７】
0004353599.tif 000008
【図８】
0004353599.tif 000009
【図９】
0004353599.tif 000010
【図１０】
0004353599.tif 000011
【図１１】
0004353599.tif 000012
【図１２】
0004353599.tif 000013