JP2023091611A - シャフト及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 シャフトの軽量化を図る。【解決手段】 繊維強化樹脂製のシャフト１であって、繊維強化樹脂からなる軽量化層２を少なくとも含む。軽量化層２は、シャフト軸方向に延びる複数の空洞部３を含む。複数の空洞部３は、互いに離隔してシャフト周方向に配置されている。【選択図】 図１

Description

本開示は、シャフト及びその製造方法に関する。

近年、繊維強化樹脂製のシャフトが、釣り竿、ゴルフクラブ、ラケット、その他の各種スポーツ用具等に使用されている。これらの道具の操作性を高めるために、シャフトの軽量化が求められている。

特開平７－１６３６９１号公報

繊維強化樹脂製のシャフトは、補強繊維と樹脂との複合体である。前記シャフトの軽量化のために、樹脂の含有量を減らす試みが考えられる。しかしながら、シャフトの成型性を考慮すると、樹脂の含有量を減らすことには自ずと限界があった。

本開示は、以上のような実情に鑑み案出なされたもので、軽量化が可能なシャフトを提供することを主な課題としている。

本開示は、繊維強化樹脂製のシャフトであって、繊維強化樹脂からなる軽量化層を少なくとも含み、前記軽量化層は、シャフト軸方向に延びる複数の空洞部を含み、前記複数の空洞部は、互いに離隔してシャフト周方向に配置されている、シャフトである。

本開示のシャフトは、上記の構成を採用したことにより、軽量である。

本実施形態のシャフトの断面図である。 成型前のシート材料からなる軽量化層の部分斜視図である。 軽量化層の部分断面図である。 他の実施形態の軽量化層の部分断面図である。 他の実施形態のシャフトの断面図である。 本実施形態のシャフトを構成するシート材料の配置を示す展開図である。 比較例のシャフトを構成するシート材料の配置を示す展開図である。

以下、本開示の実施の一形態が図面に基づき説明される。
実施形態及び図面に表された具体的な構成は、本開示の内容理解のためのものであって、本開示は、図示されている具体的な構成に限定されるものではない。また、複数の実施形態については、明細書を通して、同一又は共通する要素については同一の符号が付されており、重複する説明が省略される。

図１は、本実施形態の繊維強化樹脂製のシャフト１の断面図である。本実施形態のシャフト１は、ゴルフクラブシャフトとして構成されている。他の態様では、シャフト１は、釣り竿や各種スポーツ用具等として構成されても良い。本実施形態のシャフト１は、例えば、円形の外周面１Ａと、円形の内周面１Ｂとを有するパイプ状に構成されている。

図１に示されるように、シャフト１は、繊維強化樹脂からなる軽量化層２を少なくとも１層含む。

本実施形態の軽量化層２は、シャフト軸方向に延びる複数の空洞部３を含む。シャフト軸方向とは、シャフト１の長手方向を意味する。したがって、シャフト軸方向に延びる空洞部３とは、シャフト軸方向に細長い空洞を意味する。空洞部３は、シャフト１のシャフト軸方向の全範囲に亘って形成されても良いし、部分的に形成されたものでも良い。また、複数の空洞部３は、互いに離隔してシャフト周方向に配置されている。このような空洞部３は、軽量化層２を軽量化することから、シャフト１の軽量化が可能になる。

軽量化層２は、シャフト周方向に少なくとも１周連続しているのが望ましい。これによって、シャフト１がさらに軽量化される。本実施形態の軽量化層２は、シャフト周方向に１周連続した１つの層で構成されている。他の態様では、図５に示されるように、軽量化層２が、シャフト径方向に複数積層されても良い。

本実施形態の軽量化層２は、シャフト径方向の外側面２Ａと、シャフト径方向の内側面２Ｂとを規定するシート材料がシャフト周方向に沿って環状に延在している。この軽量化層２の外側面２Ａ及び内側面２Ｂは、いずれもシャフト周方向に沿って環状に形成されている。

図２には、軽量化層２がシャフト１として成型される前の状態のシート材料２０の部分断面図を示す。図２において、符号Ａは直線状ではあるが、このシート材料２０がシャフト１に成型される際、シャフト周方向となる方向を示す。また、図２において、符号Ｂは、このシートがシャフト１に成型される際に、シャフト軸方向となる方向を示す。

図１に戻ると、各空洞部３は、軽量化層２の外側面２Ａと内側面２Ｂとの間に位置する。本実施形態では、複数の空洞部３は、シャフト周方向に実質的に均等に配置されている。

図１において、各空洞部３の最大径ｄは、特に制限されるものではないが、シャフト１の軽量化を図る観点では、例えば、０．０１mm以上、好ましくは０．０２mm以上、さらに好ましくは０．１mm以上とされる。また、シャフト１の耐久性を維持するためには、前記最大径ｄは、例えば、２．０mm以下、好ましくは１．５mm以下、さらに好ましくは１．０mm以下とされる。

図１において、各空洞部３のシャフト周方向の配設ピッチｐは、特に制限されるものではないが、シャフト１の軽量化を図る観点では、例えば、空洞部３の最大径ｄの５倍以下、好ましくは２倍以下とされても良い。また、シャフト１の耐久性を維持するためには、各空洞部３の配設ピッチｐは、空洞部３の最大径ｄの、例えば、２０倍以上、好ましくは３０倍以上、さらに好ましくは５０倍以上とされても良い。

図１において、空洞部３の断面形状は特に制限されるものではなく、円形や多角形状が好適である。シャフト１の使用時、空洞部３での応力集中を避けるために、空洞部３の断面形状は曲線で構成されるのが望ましい。

軽量化層２は、補強繊維と樹脂（マトリックス樹脂）との複合体として構成される。

補強繊維としては、軽量で高強度であることから炭素繊維が特に好ましい。また、補強繊維には、炭素繊維以外にもガラス繊維、黒鉛繊維、アラミド繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、芳香族ポリアミド繊維、芳香族ポリエステル繊維、超高分子ポリエチレン繊維等用いられても良い。

樹脂としては、例えば、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂が採用されても良い。熱硬化性樹脂としては、例えば、強度と剛性の点よりエポキシ系樹脂が好ましい。エポキシ樹脂以外には、例えば、不飽和ポリエステル系樹脂（ビニルエステル樹脂）、フェノール系樹脂、メラミン系樹脂、ユリア系樹脂、ジアリルフタレート系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリイミド系樹脂、ケイ素樹脂等を単独又は組み合わせて用いることができる。また、熱可塑性樹脂としては、例えば、成形性に優れる等の理由により６ナイロン、１２ナイロン等のポリアミド樹脂が好ましい。これら以外には、飽和ポリエステル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリエチレン系樹脂、ポリ酢酸ビニル系樹脂、ＡＳ樹脂、メタクリル樹脂、ポリプロピレン樹脂、フッ素樹脂等を単独あるいは組み合わせて用いることができる。

図３に示されるように、複合体の一つの例として、補強繊維は、短繊維ｆ１であっても良い。短繊維ｆ１は、マトリックス樹脂Ｒ中にランダムに配置されてもよく、特定の方向に配向されたものでも良い。好ましい態様では、短繊維ｆ１は、シャフト軸方向に沿って配向されるのが望ましい。

短繊維ｆ１の直径も、特に制限されないが、例えば１～５０μmの範囲が好適である。短繊維ｆ１の長さも、特に制限されないが、例えば１００～３０００μmの範囲が好適である。短繊維ｆ１の長さ／直径比であるアスペクト比は、例えば、１０～５００の範囲が好適である。

図４は、複合体の他の態様を示す。図４に示されるように、補強繊維は、短繊維ｆ１とともに、又は、短繊維ｆ１に代えて、空洞部３を取り囲む中空のパイプ状に成形された長繊維ｆ２を含んでも良い。図４の例では、長繊維ｆ２がパイプ状に織成されている。このような長繊維ｆ２は、空洞部３の形状を維持する他、シャフト１の曲げ剛性やねじり剛性等を高めるのに役立つ。

図１を参照すると、本実施形態のシャフト１において、軽量化層２は、例えば、シャフト径方向の中間層を形成している。換言すると、軽量化層２の内側及び外側には、軽量化層以外の層が配置されている。このような実施形態は、シャフト１の強度を維持するのに役立つ。

本実施形態のシャフト１は、軽量化層２のシャフト径方向の内側に、バイアス層６が配置されている。本実施形態のバイアス層６は、補強繊維（長繊維ｆ２）がシャフト軸方向に対して４５°±１５°の角度で配向された少なくとも１つのプリプレグからなる。好ましい態様では、バイアス層６は、例えば、複数のプリプレグを積層して形成されている。各プリプレグは、補強繊維が互いに交差するように積層されている。このようなバイアス層６は、シャフト１のトルク（捻じり剛性）を向上させることができ、ひいては、ゴルフクラブとして構成されたときに、打球の方向性を安定させるのに役立つ。

また、本実施形態のシャフト１は、軽量化層２のシャフト径方向の外側に、ストレート層５が配置されている。本実施形態のストレート層５は、補強繊維がシャフト軸方向に対して０°±５°の角度で配向された少なくとも１枚のプリプレグからなる。好ましい態様では、ストレート層５は、例えば、１枚のプリプレグで形成される。このようなストレート層５は、シャフト１の曲げ剛性を向上させ、ゴルフクラブとして構成されたときに、シャフト１の耐久性を向上させるのに役立つ。

次に、本実施形態のシャフト１の製造方法が説明される。本実施形態の製造方法は、第１工程、第２工程及び第３工程とを含む。

第１工程は、軽量化層２のためのシート材料２０を準備する工程である。このシート材料２０は、図２に示したように、成型されたときに、シャフト径方向の外側面２Ａと、シャフト径方向の内側面２Ｂと、これらの間に配置された複数の空洞部３とを含む。

図６は、準備されたシート材料等の展開図を示す。この例では、シャフト１が、シート材料ｓ１～ｓ８から形成される。図６において、符号Ｌｓは、シャフト１の軸方向の長さに対応してり、右側がチップ端、左側がバット端にそれぞれ対応している。この例では、シャフト全長Ｌｓは１１６８mmとされている。

また、展開図は、シャフト１を構成するシート材料を、シャフト１の半径方向内側から順に示す。したがって、展開図の上側に位置しているシートから順に、マンドレルに巻回される。さらに、この展開図は、各シートの巻き付け順序のみならず、各シートのシャフト軸方向における配置をも示す。例えば、第１シート材料ｓ１の端は、チップ端に位置する。各シート材料ｓ１～ｓ８の左横又はシート上に記載されている角度の表示は、当該シート材料に含まれる補強繊維のシャフト軸方向に対する配向角度を表している。補強繊維は、いずれも炭素繊維である。

本実施形態において、シート材料ｓ１及びｓ５～ｓ８は、ストレートプリプレグである。ストレートプリプレグは、補強繊維が、シャフト軸方向に対して０°±５°の角度で配向されており、上述のストレート層５を形成する。また、本実施形態において、シート材料ｓ２及びｓ３は、バイアスプリプレグである。バイアスプリプレグは、補強繊維が、シャフト軸方向に対して４５°±１５°の角度で配向されており、上述のバイアス層６を形成する。

さらに、本実施形態では、シート材料ｓ４が、軽量化層２を構成するシート材料２０とされる。このシート材料ｓ４は、図４に示したように、炭素繊維からなる短繊維ｆ１とパイプ状に成形された長繊維ｆ２とを含むものであり、成型前の状態において、空洞部３の最大径ｄは０．２mmであり、配設ピッチｐは、１mm（ｐ／ｄ＝５）とされた。シート材料２０の厚さは、約０．５mmであった。長繊維ｆ２は、シャフト軸方向及びシャフト周方向の２種の方向に配向された綾織でチューブ状に織成されている。

なお、各シート材料のマトリックス樹脂は、いずれもエポキシ樹脂である。

第２工程は、シート材料ｓ１～ｓ８をシャフト周方向に環状に巻きつける工程である。通常、第２工程は、マンドレル（芯金）に、シート材料ｓ１～ｓ８を順次巻きつけることにより行われる。その後、必要に応じて、ラッピングテープなどでシート材料を締め付けることが望ましい。

第３工程は、マンドレルと一緒に巻回されたシート材料が金型内で加熱される。これにより、マトリックス樹脂が硬化し、パイプ状のシャフト１が製造され得る（実施例）。

比較のために、図７に示したシート材料を用いてシャフトが製造された（比較例）。この例では、シャフト１が、第１シート材料ないし第９シート材料ｓ１～ｓ９から形成される。図７の例では、第４シートが軽量化層ではなくストレートプリプレグであること、及び、シャフト全長に亘るストレートプリプレグが３枚使用されている点で図６の例と異なっており、その他は図６の展開図と同様である。

実施例は、比較例に比べて、約１．３ｇの軽量化が実現できた。また、実施例のシャフトと比較例のシャフトの３点曲げ強度を比較したところ、実質的に同じ性能を示した。さらに、各シャフトに同一の金属製ウッド型ゴルフクラブヘッドを装着し、ヘッドスピード４５m/sで約３０００回ゴルフボールを打撃したが、両シャフトとも損傷は見られず、良好な耐久性を示した。

以上、本開示の実施形態が詳細に説明されたが、本開示は、上記の具体的な開示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範囲内において、種々変更して実施することができる。

［付記］
本開示は以下の態様を含む。

［本開示１］
繊維強化樹脂製のシャフトであって、
繊維強化樹脂からなる軽量化層を少なくとも含み、
前記軽量化層は、シャフト軸方向に延びる複数の空洞部を含み、
前記複数の空洞部は、互いに離隔してシャフト周方向に配置されている、
シャフト。
［本開示２］
前記軽量化層は、シャフト周方向に少なくとも１周連続している、本開示１に記載のシャフト。
［本開示３］
前記軽量化層は、シャフト径方向の外側面と、シャフト径方向の内側面とを規定するシート状体がシャフト周方向に沿って環状に延在している、本開示１又は２に記載のシャフト。
［本開示４］
前記軽量化層は、補強繊維と樹脂との複合体である、本開示１ないし３のいずれかに記載のシャフト。
［本開示５］
前記補強繊維は、短繊維を含む、本開示４に記載のシャフト。
［本開示６］
前記補強繊維は、前記空洞部を取り囲むパイプ状のものを含む、本開示４又は５に記載のシャフト。
［本開示７］
ゴルフクラブシャフトである、本開示１ないし６のいずれかに記載のシャフト。
［本開示８］
前記軽量化層のシャフト径方向の内側に、補強繊維がシャフト軸方向に対して４５°±１５°の角度で配向されたバイアス層を備える、本開示７に記載のシャフト。
［本開示９］
前記軽量化層のシャフト径方向の外側に、補強繊維がシャフト軸方向に対して０°±５°の角度で配向されたストレート層を備える、本開示７又は８に記載のシャフト。
［本開示１０］
本開示１ないし９のいずれかに記載されたシャフトの製造方法であって、
前記軽量化層をシート材料の態様で準備する第１工程であって、前記軽量化層は、シャフト径方向の外側面と、シャフト径方向の内側面と、これらの間に配置された前記複数の空洞部とを含む第１工程と、
前記シート材料をシャフト周方向に環状に巻きつける第２工程とを含む、
シャフトの製造方法。

１ シャフト
２ 軽量化層
２Ａ 外側面
２Ｂ 内側面
３ 空洞部
５ ストレート層
６ バイアス層
ｆ１ 短繊維
ｆ２ 長繊維

Claims (10)

1. 繊維強化樹脂製のシャフトであって、
   繊維強化樹脂からなる軽量化層を少なくとも含み、
   前記軽量化層は、シャフト軸方向に延びる複数の空洞部を含み、
   前記複数の空洞部は、互いに離隔してシャフト周方向に配置されている、
   シャフト。
2. 前記軽量化層は、シャフト周方向に少なくとも１周連続している、請求項１に記載のシャフト。
3. 前記軽量化層は、シャフト径方向の外側面と、シャフト径方向の内側面とを規定するシート状体がシャフト周方向に沿って環状に延在している、請求項１又は２に記載のシャフト。
4. 前記軽量化層は、補強繊維と樹脂との複合体である、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のシャフト。
5. 前記補強繊維は、短繊維を含む、請求項４に記載のシャフト。
6. 前記補強繊維は、前記空洞部を取り囲むパイプ状のものを含む、請求項４又は５に記載のシャフト。
7. ゴルフクラブシャフトである、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のシャフト。
8. 前記軽量化層のシャフト径方向の内側に、補強繊維がシャフト軸方向に対して４５°±１５°の角度で配向されたバイアス層を備える、請求項７に記載のシャフト。
9. 前記軽量化層のシャフト径方向の外側に、補強繊維がシャフト軸方向に対して０°±５°の角度で配向されたストレート層を備える、請求項７又は８に記載のシャフト。
10. 請求項１ないし９のいずれかに記載されたシャフトの製造方法であって、
    前記軽量化層をシート材料の態様で準備する第１工程であって、前記軽量化層は、シャフト径方向の外側面と、シャフト径方向の内側面と、これらの間に配置された前記複数の空洞部とを含む第１工程と、
    前記シート材料をシャフト周方向に環状に巻きつける第２工程とを含む、
    シャフトの製造方法。

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