JP2020101204A - 管状体、及び管状体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プリプレグシートを用いて製造される管状体の意図しない反りを抑制する。【解決手段】管状体１０は、繊維強化樹脂製のプリプレグシートを管状に巻いて硬化してなる繊維強化樹脂層を備えている。繊維強化樹脂層は、プリプレグシートにおける巻き方向の端部に位置する端縁が接合してなる第２接合部１４ｂを備えている。第２接合部１４ｂは、管状体１０の軸線Ｐ１を１周以上する螺旋状に位置している。【選択図】図１

Description

本発明は、管状体、及び管状体の製造方法に関する。

特許文献１及び特許文献２に開示されるように、バトミントンラケットのシャフトや弓矢の矢のシャフトとして、繊維強化樹脂製の管状体が用いられている。特許文献１及び特許文献２の管状体は、次のようにして製造されている。すなわち、図７（ａ）〜（ｂ）に示すように、炭素繊維やガラス繊維等の強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させたシート状の材料であるプリプレグシート３０を芯材３１の外周に巻くことにより、管状の成形体を形成する。次いで、成形体を加熱して、プリプレグシート３０を構成する熱硬化性樹脂を硬化させる。冷却後、芯材３１を取り外すことにより管状体３３が得られる。

特開平１１−２６２５４５号公報 特開２００９−５８１８４号公報

図７（ｂ）に示すように、プリプレグシート３０を管状に巻いて硬化させてなる管状体３３には、プリプレグシート３０の巻き方向の両端に位置する端縁３０ａが接合してなる接合部３３ａが存在する。接合部３３ａは、管状体３３の周方向における残留応力の分布を不均一にし、管状体３３に意図しない反りを生じさせる原因になる。

この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、プリプレグシートを用いて製造される管状体の意図しない反りを抑制することにある。

上記課題を解決する管状体は、繊維強化樹脂製のプリプレグシートを管状に巻いて硬化してなる１層以上の繊維強化樹脂層を備える管状体であって、前記繊維強化樹脂層の少なくとも１層は、前記プリプレグシートにおける巻き方向の端部に位置する端縁が接合してなる接合部を備え、前記接合部は、当該管状体の軸線を１周以上する螺旋状に位置している。

上記構成によれば、プリプレグシートにおける巻き方向の端部に位置する端縁が接合してなる接合部が管状体の軸線を１周以上する螺旋状に形成されており、接合部同士が管状体の周方向に分散して位置している。接合部は、硬化後の残留応力が大きくなりやすい部位であることから、接合部の位置を周方向に分散させることにより、周方向における残留応力の分布を均一化できる。その結果、接合部に起因して管状体に生じる意図しない反りが抑制される。

上記管状体において、複数層の前記繊維強化樹脂層を備え、最も外側に位置する前記繊維強化樹脂層は、前記螺旋状の前記接合部を備えていることが好ましい。
プリプレグシートの巻き方向の端縁に起因する反りは、その端縁が管状体の外周側に位置しているほど生じやすくなる。したがって、上記構成によれば、接合部を螺旋状に位置させることによる反りの抑制効果がより顕著に得られる。

上記管状体において、前記繊維強化樹脂層は、前記プリプレグシートを断面渦巻状に巻いて硬化してなることが、量産性を高めるうえで好ましい。
プリプレグシートを断面渦巻状に巻いて硬化してなる繊維強化樹脂層とした場合、接合部の周囲に段差が形成されやすく、その結果、残留応力の偏りが大きくなって反りが生じやすくなる。したがって、上記構成によれば、接合部を螺旋状に位置させることによる反りの抑制効果がより顕著に得られる。

上記管状体において、前記螺旋状の前記接合部を備える前記繊維強化樹脂層は、クロスプリプレグシートを管状に巻いて硬化してなることが好ましい。
クロスプリプレグシートの利点は、異方性のある複合材料（特に一方向材料）の機械的性質が、クロスプリプレグシートにすることで等方性に近づき、残留応力の均等化も高まることから、管状体の安定性（反りの減少）に有利となる点にある。しかし、一般的なクロスプリプレグシートは、厚みが大きいため、クロスプリプレグシートを管状に巻いて硬化してなる繊維強化樹脂層とした場合、接合部により大きな段差が形成されやすくなる。その結果、段差の大きい接合部による成型厚みの偏りが生じることにより、管状体が反りやすくなるという利点を超えるデメリットが生じていた。今回の発明によれば、接合部を分散して位置させることが可能となることから、デメリットを解消しつつ、クロスプリプレグシートの利点を生かすことが可能となる。

上記課題を解決する管状体の製造方法は、長尺状の芯材に繊維強化樹脂製のプリプレグシートを巻き付ける巻き付け工程と、前記芯材に巻き付けられた前記プリプレグシートを硬化する硬化工程とを備え、前記巻き付け工程において、前記プリプレグシートの巻き方向の両端に位置する巻き始め端縁及び巻き終わり端縁の少なくとも一方が前記芯材の軸線周りに１周以上する螺旋状に位置するように、前記芯材に前記プリプレグシートを巻き付ける。

上記構成によれば、意図しない反りが抑制された管状体を製造できる。

本発明によれば、プリプレグシートを用いて製造される管状体の意図しない反りを抑制できる。

管状体の斜視図。 図１の２−２線断面図。 図１の３−３線断面図。 （ａ）〜（ｃ）は、管状体の製造方法の説明図。 変更例の管状体の側面図。 変更例の成形体の断面図。 （ａ）、（ｂ）は、従来の管状体の製造方法の説明図。

以下、本発明の一実施形態を説明する。
図１〜３に示すように、管状体１０は、繊維強化樹脂からなる直管型の円筒体として形成されるものであり、例えば、バトミントンラケットのシャフト、弓矢の矢のシャフト、に適用される。管状体１０の各寸法は、管状体１０の用途に応じて適宜設定できるが、例えば、肉厚が０．５〜５ｍｍであり、直径（Ｄ）に対する軸方向長さ（Ｌ）の比率（Ｌ／Ｄ）が５０〜２００である薄肉細径の管状体であることが好ましい。

図３に示すように、管状体１０は、断面渦巻状をなす３層の繊維強化樹脂層１１を備えている。以下では、繊維強化樹脂層１１の各層を内側から順に、内側層１１ａ、中間層１１ｂ、外側層１１ｃと記載する。

繊維強化樹脂層１１を構成する強化繊維１２としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、各種セラミックス繊維、ボロン繊維、銅、ステンレス等の金属繊維、アモルファス繊維、芳香族ポリアミド等の有機繊維が挙げられる。繊維強化樹脂層１１を構成する強化繊維は、１種のみであってもよいし、複数種類が併用されていてもよい。

繊維強化樹脂層１１を構成する強化繊維１２の配列は特に限定されるものではなく、例えば、特定方向に配列されていてもよいし、織物状又は編み物状であってもよい。また、配列の異なる強化繊維１２が多段に重ねられた状態であってもよい。図３においては、一例として、管状体１０の周方向に平行に配列された強化繊維１２ａと、管状体１０の軸方向に配列された強化繊維１２ｂと、織物状又は編み物状の強化繊維１２ｃとが重ねられている場合の繊維強化樹脂層１１を図示している。

繊維強化樹脂層１１を構成するマトリックス樹脂１３としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。繊維強化樹脂層１１を構成するマトリックス樹脂１３は、１種のみであってもよいし、複数種類が併用されていてもよい。

繊維強化樹脂層１１は、強化繊維に合成樹脂を含浸させたシート材であるプリプレグシートを、断面渦巻状をなす管状に巻いて硬化することによって一体に接合されている。そのため、図３に示すように、最も内側に位置する繊維強化樹脂層１１である内側層１１ａには、巻き方向の一端（プリプレグシートの巻き始め端縁）が接合された部位である第１接合部１４ａが形成されている。同様に、最も外側に位置する繊維強化樹脂層１１である外側層１１ｃには、巻き方向の他端（プリプレグシートの巻き終わり端縁）が接合された部位である第２接合部１４ｂが形成されている。

図１及び図２に示すように、第１接合部１４ａ及び第２接合部１４ｂは、管状体１０の軸線Ｐ１を１周以上する螺旋状に形成されている。軸線Ｐ１を１周以上する点を除いて、第１接合部１４ａ及び第２接合部１４ｂの螺旋形状は、用途等に応じた寸法精度や製造効率等に応じて適宜設定できる。例えば、軸線Ｐ１を１〜５周する螺旋であることが好ましい。特に、矢のシャフト部分に適用される管状体１０の場合には、軸線Ｐ１を１〜６周する螺旋であることが好ましい。また、第１接合部１４ａ及び第２接合部１４ｂの螺旋形状は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。

次に、管状体１０の製造方法の一例について説明する。
管状体１０は、芯材に繊維強化樹脂製のプリプレグシートを巻き付ける巻き付け工程と、芯材に巻き付けられたプリプレグシートを硬化する硬化工程とを順に経ることにより製造される。

図４（ａ）に示すように、巻き付け工程では、強化繊維に硬化前の熱硬化性樹脂を含浸させたシート材であるプリプレグシート２１を長尺状の芯材２０の外周面に断面渦巻状に巻き付ける。芯材２０は、長尺状の円柱体であり、製造する管状体１０の軸方向長さより長いものを使用する。プリプレグシート２１は、巻き方向の両端に位置し、芯材２０の軸線Ｐ２に対して傾斜する方向に延びる巻き始め端縁２２及び巻き終わり端縁２３と、巻き方向に平行な二つの側縁２４とを有する平行四辺形状のシートである。

プリプレグシート２１の横方向長さＬ１は、製造する管状体１０の軸方向長さと同じ長さに設定される。プリプレグシート２１の縦方向長さＬ２は、製造する管状体１０における繊維強化樹脂層１１の層数（３層）に基づく長さに設定される。

巻き始め端縁２２及び巻き終わり端縁２３の軸線Ｐ２に対する傾斜角度Θ１，Θ２は、製造する管状体１０の第１接合部１４ａ及び第２接合部１４ｂがなす螺旋形状に基づく角度に設定される。傾斜角度Θ１，Θ２は、例えば、３度以上であることが好ましい。傾斜角度Θ１，Θ２を大きくすることにより、第１接合部１４ａ及び第２接合部１４ｂがなす螺旋のピッチを短くすることができる。また、傾斜角度Θ１，Θ２は、例えば、１０度以下であることが好ましい。傾斜角度Θ１，Θ２を抑えることにより、芯材２０にプリプレグシート２１を巻き付けるために必要な操作量が少なくなり、巻き付け工程を効率化できる。

プリプレグシート２１における強化繊維の配列は特に限定されるものではないが、例えば、同一方向に配列された多数本の強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させてなるＵＤプリプレグシート、強化繊維の織物や編物に熱硬化性樹脂を含浸させてなるクロスプリプレグシートを用いることが好ましい。

また、複数のプリプレグシートを重ねたものをプリプレグシート２１として用いてもよい。本実施形態では、縦方向（巻き方向）に配向されたＵＤプリプレグシート２１ａ、横方向（芯材２０の軸線Ｐ２方向）に配向されたＵＤプリプレグシート２１ｂと、クロスプリプレグシート２１ｃの３枚を重ねたものをプリプレグシート２１として巻き付け工程に用いている。

図４（ｂ）に示すように、巻き付け工程を行うことにより、芯材２０の外周面にプリプレグシート２１が管状に巻き付けられた成形体２５が得られる。プリプレグシート２１の巻き始め端縁２２が芯材２０の軸線Ｐ２に対して傾斜していることにより、成形体２５の内周面に位置する巻き始め端縁２２は螺旋状に位置している（図示略）。同様に、プリプレグシート２１の巻き終わり端縁２３が芯材２０の軸線Ｐ２に対して傾斜していることにより、成形体２５の外周面に位置する巻き終わり端縁２３は螺旋状に位置している。

図４（ｃ）に示すように、硬化工程では、まず、成形体２５の外周面にラッピングテープ２６を巻き付けて、成形体２５をラッピングテープ２６により締め付けられた加圧状態にする。ラッピングテープ２６は、成形体２５の外周面に長手方向に少しずつずらしながら、張力をかけた状態で複数回、巻回する。

続いて、ラッピングされた加圧状態の成形体２５を、加熱炉等を用いて加熱する。これにより、プリプレグシート２１を構成する熱硬化性樹脂が硬化するとともに、断面渦巻状に巻き付けられたプリプレグシート２１の層同士が一体に接合される。硬化工程における加熱温度は、プリプレグシート２１を構成する熱硬化性樹脂の硬化温度に基づいて適宜、設定できる。

冷却後、ラッピングテープ２６及び芯材２０を取り外すことにより、管状体１０が得られる。
次に、本実施形態の作用について説明する。

管状体１０は、プリプレグシート２１の巻き始め端縁２２が接合された部位である第１接合部１４ａが管状体１０の軸線Ｐ１を１周以上する螺旋状に形成されており、第１接合部１４ａ同士が管状体１０の周方向に分散して位置している。同様に、プリプレグシート２１の巻き終わり端縁２３が接合された部位である第２接合部１４ｂが管状体１０の軸線Ｐ１を１周以上する螺旋状に形成されており、第２接合部１４ｂ同士が管状体１０の周方向に分散して位置している。

第１接合部１４ａ及び第２接合部１４ｂは、硬化工程後の残留応力が大きくなりやすい部位であることから、第１接合部１４ａ及び第２接合部１４ｂの位置を周方向に分散させることにより、周方向における残留応力の分布を均一化できる。その結果、第１接合部１４ａ及び第２接合部１４ｂに起因して管状体１０に生じる意図しない反りが抑制される。

なお、実験例として、プリプレグシート２１の巻き始め端縁２２及び巻き終わり端縁２３の傾斜角度Θ１，Θ２を３度として上記製造方法により薄肉細径の直管型の管状体１０を製造した。そして、硬化後の管状体１０について、軸線Ｐ１周りに１回転させたときの軸線方向中央部の最大高さと最小高さの差として定義される反り量を測定したところ、反り量は０．４５ｍｍであった。製造した管状体１０の形状は、直径８．０ｍｍ、軸方向長さ１０５０ｍｍ、肉厚０．７ｍｍ、第１接合部１４ａ及び第２接合部１４ｂの螺旋の周回数４回である。一方、比較対象として、傾斜角度Θ１，Θ２を０度とした点を除いて同様に製造した従来構造の管状体の反り量を測定したところ、その反り量は１．４５ｍｍであった。

次に、本実施形態の効果について記載する。
（１）管状体１０は、繊維強化樹脂製のプリプレグシート２１を管状に巻いて硬化してなる繊維強化樹脂層１１を備えている。繊維強化樹脂層１１は、プリプレグシート２１における巻き方向の端部に位置する端縁（巻き始め端縁２２、巻き終わり端縁２３）が接合してなる接合部（第１接合部１４ａ、第２接合部１４ｂ）を備えている。接合部（第１接合部１４ａ、第２接合部１４ｂ）は、管状体１０の軸線Ｐ１を１周以上する螺旋状に位置している。

上記構成によれば、接合部に起因して管状体１０に生じる意図しない反りを抑制できる。
また、接合部に起因して管状体１０に生じる意図しない反りは、硬化後の管状体１０に対して熱矯正等の矯正処理を施すことによって本来の設計形状に修正することもできるが、この場合、時間の経過に伴って反りのある元の状態に戻ってしまうおそれがある。上記構成によれば、矯正処理を施す必要がなくなり、矯正処理後、管状体１０が反った状態に戻ってしまう問題が無くなる。また、上記矯正処理を施した場合にも、その矯正量が抑えられるため、管状体１０が反った状態に戻り難い。

更に、接合部を上記螺旋状に位置させて、管状体１０の周方向における接合部の位置の偏りを抑制することにより、周方向における質量分布の均一化を図ることができる。また、接合部が位置する側への曲げ強度が他の方向への曲げ強度と比較して大きくなる又は小さくなることが抑制されて、曲げる方向に依存して曲げ強度がばらつくことを抑制できる。

（２）最も外側に位置する繊維強化樹脂層１１（外側層１１ｃ）は、螺旋状の接合部（第２接合部１４ｂ）を備えている。
プリプレグシート２１の巻き方向の端縁に起因する反りは、その端縁が管状体１０の外周側に位置しているほど生じやすくなる。したがって、上記構成によれば、接合部を螺旋状に位置させることによる反りの抑制効果がより顕著に得られる。

（３）繊維強化樹脂層１１は、プリプレグシート２１を断面渦巻状に巻いて硬化してなる。
プリプレグシート２１を断面渦巻状に巻いて硬化してなる繊維強化樹脂層１１とした場合、接合部（第１接合部１４ａ、第２接合部１４ｂ）の周囲に段差が形成されやすく、その結果、残留応力の偏りが大きくなって反りが生じやすくなる。したがって、上記構成によれば、接合部（第１接合部１４ａ、第２接合部１４ｂ）を螺旋状に位置させることによる反りの抑制効果がより顕著に得られる。また、量産性を高めることが容易である。

（４）繊維強化樹脂層１１は、クロスプリプレグシート２１ｃを管状に巻いて硬化してなる。
クロスプリプレグシートの利点は、異方性のある複合材料（特に一方向材料）の機械的性質が、クロスプリプレグシートにすることで等方性に近づき、残留応力の均等化も高まることから、管状体１０の安定性（反りの減少）に有利となる点にある。しかし、一般的なクロスプリプレグシートは、厚みが大きいため、クロスプリプレグシートを管状に巻いて硬化してなる繊維強化樹脂層１１とした場合、接合部（第１接合部１４ａ、第２接合部１４ｂ）により大きな段差が形成されやすくなる。その結果、段差の大きい接合部が偏って位置することにより、管状体１０が反りやすくなるという利点を超えるデメリットが生じていた。上記構成によれば、接合部を分散して位置させることが可能となることから、デメリットを解消しつつ、クロスプリプレグシートの利点を生かすことが可能となる。

（５）管状体１０は、肉厚が０．５〜５ｍｍであり、直径（Ｄ）に対する軸方向長さ（Ｌ）の比率（Ｌ／Ｄ）が５０〜２００である。
プリプレグシート２１の巻き方向の端縁に起因する反りは、管状体１０が薄肉細径であるほど生じやすくなる。したがって、上記構成によれば、接合部を螺旋状に位置させることによる反りの抑制効果がより顕著に得られる。

（６）管状体１０の製造方法は、長尺状の芯材２０に繊維強化樹脂製のプリプレグシート２１を巻き付ける巻き付け工程と、芯材２０に巻き付けられたプリプレグシート２１を硬化する硬化工程とを備えている。巻き付け工程において、プリプレグシート２１の巻き方向の両端に位置する巻き始め端縁２２及び巻き終わり端縁２３が芯材２０の軸線Ｐ２周りに１周以上する螺旋状に位置するように、芯材２０にプリプレグシート２１を巻き付ける。

上記構成によれば、意図しない反りが抑制された管状体１０を製造できる。
なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・上記螺旋状の接合部は、螺旋状でない部分を部分的に有していてもよい。
・上記螺旋状の接合部は、全体として管状体１０の軸線Ｐ１を１周以上する螺旋状であればよく、例えば、図５に示すように、周方向の位置が段差状に変化する螺旋状であってもよいし、波状に変化する螺旋状であってもよい。

・プリプレグシート２１の巻き始め端縁２２及び巻き終わり端縁２３が接合してなる第１接合部１４ａ及び第２接合部１４ｂのうちのいずれか一方のみが上記螺旋状に位置している構成であってもよい。

・繊維強化樹脂層１１の層数は、１層以上であれば特に限定されるものでなく、２層以下であってもよいし、４層以上であってもよい。
・繊維強化樹脂層１１の形状、即ち、製造時におけるプリプレグシート２１の巻き方は、断面渦巻状に限定されるものではなく、例えば、図６に示す成形体２５のように、プリプレグシート２１の巻き方向の端部に位置する端縁（巻き始め端縁２２及び巻き終わり端縁２３）同士が接合されてなる断面環状であってもよい。また、断面環状の繊維強化樹脂層１１を複数層、備える構成であってもよいし、断面渦巻状の繊維強化樹脂層１１と、断面環状の繊維強化樹脂層１１とを備える構成であってもよい。

・管状体１０の形状は、直管型の円筒体形状の管状体１０に限定されるものではなく、例えば、テーパ形状等の軸方向に直径が変化する形状であってもよいし、角筒体形状であってもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に記載する。
（イ）肉厚が０．５〜５ｍｍであり、直径（Ｄ）に対する軸方向長さ（Ｌ）の比率（Ｌ／Ｄ）が５０〜２００である前記管状体。

（ロ）矢のシャフト部分に適用され、前記接合部は、当該管状体の軸線を１〜６周する前記螺旋状である前記管状体。

Ｐ１，Ｐ２…軸線、１０…管状体、１１…繊維強化樹脂層、１１ａ…内層、１１ｂ…中間層、１１ｃ…外層、１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…強化繊維、１３…マトリックス樹脂、１４ａ…第１接合部、１４ｂ…第２接合部、２０…芯材、２１…プリプレグシート、２１ａ，２１ｂ…ＵＤプリプレグシート、２１ｃ…クロスプリプレグシート、２２…巻き始め端縁、２３…巻き終わり端縁、２５…成形体、２６…ラッピングテープ。

Claims (5)

1. 繊維強化樹脂製のプリプレグシートを管状に巻いて硬化してなる１層以上の繊維強化樹脂層を備える管状体であって、
   前記繊維強化樹脂層の少なくとも１層は、前記プリプレグシートにおける巻き方向の端部に位置する端縁が接合してなる接合部を備え、
   前記接合部は、当該管状体の軸線を１周以上する螺旋状に位置していることを特徴とする管状体。
2. 複数層の前記繊維強化樹脂層を備え、
   最も外側に位置する前記繊維強化樹脂層は、前記螺旋状の前記接合部を備えている請求項１に記載の管状体。
3. 前記繊維強化樹脂層は、前記プリプレグシートを断面渦巻状に巻いて硬化してなる請求項１又は請求項２に記載の管状体。
4. 前記螺旋状の前記接合部を備える前記繊維強化樹脂層は、クロスプリプレグシートを管状に巻いて硬化してなる請求項１〜３のいずれか一項に記載の管状体。
5. 管状体の製造方法であって、
   長尺状の芯材に繊維強化樹脂製のプリプレグシートを巻き付ける巻き付け工程と、
   前記芯材に巻き付けられた前記プリプレグシートを硬化する硬化工程とを備え、
   前記巻き付け工程において、
   前記プリプレグシートの巻き方向の両端に位置する巻き始め端縁及び巻き終わり端縁の少なくとも一方が前記芯材の軸線周りに１周以上する螺旋状に位置するように、前記芯材に前記プリプレグシートを巻き付けることを特徴とする管状体の製造方法。