JP3040335B2 - 複合構造体及びその製造方法 - Google Patents

複合構造体及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、複合構造体、特
に、編組強化繊維を有するマトリックス材料から成る複
合構造体、及びその構造体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】繊維強化されたマトリックス材料から成
る複合構造体が多数、公知である。公知の複合構造体
は、線状に配向した強化繊維を含むマトリックス材料の
積層体から成っている。一つの層における強化繊維の配
向方向は、その隣接する層における強化繊維の配向方向
と異なる角度とすることが出来る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】線状に配向された強化
繊維を含むマトリックス材料の積層体の一つの不利な点
は、強化繊維がその層に対して垂直方向に存在しないこ
とである。層に対して垂直方向に構造体を強化する一つ
の公知の方法は、層を相互に編むことである。この層を
相互に編む場合の一つの不利な点は、この編み工程が労
働及び装置集約的なことである。また、公知の繊維強化
された複合材は、三次元的構造体を形成する編み繊維及
び織り繊維で出来ている。しかしながら、こうした複合
構造体の製造も労働及び装置集約的である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、プリフ
ォームの半径方向内側部分に強化繊維を編組するに、複
合構造体、つまりはそのもとになるプリフォームの軸線
に対して略直角に伸長するように強化繊維を編組する段
階を含む方法により複合構造体が製造される。半径方向
内側部分の外側に接する半径方向外側部分の強化繊維
は、プリフォームの長手方向軸線に対して略平行に伸長
するように編組される。プリフォームを、金型内に投入
して、マトリックスに成るべき材料が溶融するが、強化
繊維は溶融しない温度まで加熱する。このプリフォーム
は、金型内で圧密化される。プリフォームの加熱及び圧
密化の後に、複合構造体を冷却し、その複合構造体の機
械加工により骨プレートのような装置を形成し得る。
【０００５】該複合構造体は、編組強化繊維を備えたマ
トリックス材料の半径方向内側部分を有しており、この
編組強化繊維は、複合構造体が分離作用すなわち割れを
受ける該複合構造体の軸線に対して略垂直に内側部分の
全体に亙って伸長し、複合構造体の分離作用すなわち割
れに抵抗する。編組強化繊維を有するマトリックス材料
の半径方向外側部分は、内側部分の外側に接し、また、
該編組強化繊維は、軸線に対して略平行に該外側部分の
全体に亙って伸長し、複合構造体の曲げに抵抗する。
【０００６】この複合構造体の曲げは、Ｉ−ビームと同
様である。曲げに起因する応力は、半径方向外側部分に
集中するから、半径方向外側部分は、Ｉ−ビームの外側
ウェブと同様に、複合構造体の曲げに抵抗する強度を必
要とする。半径方向内側部分は、Ｉ−ビームの接続ウェ
ブと同様に、曲げに抵抗する必要はない。半径方向内側
部分は、複合構造体の分離作用に抵抗する。
【０００７】この複合構造体を機械加工して、椎骨又は
折れた骨のような隣接する骨部材を所望の空間的関係に
保つ骨プレートにする。骨プレートを骨に接続するため
締結具が骨プレートの穴を貫通して伸長するとき、骨プ
レートには、締め付け力が加わり、その結果、骨プレー
トが軸線に沿って分離すなわち割れることがある。半径
方向内側部分の編組強化繊維は、締結具により骨プレー
トに加えられる締付け力に起因する骨プレートの分離作
用に抵抗する。更に、半径方向外側部分を通して伸長す
る編組強化繊維は、骨プレートの曲げに抵抗し、骨プレ
ートが接続された隣接する骨部材同士の動きを阻止す
る。
【０００８】複合骨プレートは、Ｘ線フィルム及びコン
ピュータ断層スキャン上における組織の像を妨害しない
から、金属製骨プレートよりも有利である。複合骨プレ
ートが接続された折骨部分が適正に治癒しつつあるか、
又は複合骨プレートが接続された隣接する椎骨が相互に
適正に融着しつつあるか、医者は容易に確認することが
出来る。医者が骨プレートの位置を知ることが出来るよ
うにチタニウム線のようなＸ線マーカを複合骨プレート
内に編組することが可能である。
【０００９】複合骨プレートのもう一つの有利な点は、
応力からの遮へいを防止し得るようなプレートの設計と
することが出来る点である。骨に対する応力−歪み曲線
は、応力を殆ど伴わずに幾分かの歪みが実現される最初
の領域を有する。応力−歪み曲線のこの最初の領域は、
しばしば応力−歪み曲線の「つま先」部分と呼ばれる。
より応力が大きくなると、その曲線は線状又は比例状と
なる。この「つま先」領域は、低応力レベルにて骨が多
少変形することを許容する一方、より応力が大きくなる
と、より剛性となり、大きい荷重から骨を保護する。骨
は加えられた荷重を支持するように再生するから、この
低応力で骨が変形することは、骨が再生する上で重要で
ある。
【００１０】剛性な金属製埋込み体を骨に接続したと
き、その周囲の骨は、加えられた応力から遮へいされ、
骨は再吸収すなわち退化する。可撓性の埋込み体を使用
すると、大きい荷重で骨は過度に変形し損傷する。この
複合構造体は、骨の応力−歪み曲線に似た曲線、即ち、
低応力の「つま先」領域を有する曲線となるように形成
することが出来るから、本発明の複合構造体は、骨プレ
ートとしての使用に十分適している。
【００１１】この「つま先」領域の範囲を増すため、複
合構造体に屈曲した強化繊維を使用することが出来る。
すなわち、プリフォームを編組するとき、複合撚糸を使
用することが出来、又は、強化繊維をコイル状にし、ま
たは、波状とし、或いは縮れさせたものを使用すること
が出来る。こうした構造体の場合、骨プレートのマトリ
ックス材料は、低応力レベルにて変形する一方、強化繊
維は直線状になり始める。より高応力レベルで、強化繊
維は直線状となって、荷重を吸収し、複合プレートは、
一層剛性を増す。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明の上記及びその他の特徴
は、添付図面に関する本発明の以下の説明に関する読む
ことにより、当業者に明らかになるであろう。
【００１３】脊柱Ｃの変形及び／又は劣化を矯正する、
外科的に埋込み可能な一対の複合骨プレート１０（図
１）は、締結具２０により脊柱の幾つかの椎骨Ｖに接続
される。複合骨プレート１０の各々は、細長であり、ま
た、該骨プレートは、該骨プレートの長手方向中心軸線
１２（図２）に対して垂直に伸長する面で見たとき、矩
形の断面を有する。複合プレート１０の各々は、図４に
示すように、脊柱Ｃの所望の曲率に適合し得るように湾
曲していることが好ましい。複合骨プレート１０は、椎
骨Ｖを所定の関係に保つのに十分な強度及び剛性を有す
る。この複合骨プレートは、椎骨を所望の空間的関係に
保つ状態で示してあるが、これらの骨プレートは、骨折
部分を所望の関係に保つために使用することも出来る。
【００１４】複合骨プレート１０は、チタニウム又はス
テンレス鋼のような適当な生体適合性材料で出来た締結
具２０（図２）により、それぞれの椎骨Ｖに接続され
る。締結具２０の各々は、椎骨Ｖに係合する粗い螺旋ね
じ部分２４を有するねじ付き内端部分２２を備えてい
る。締結具２０の外端部分２６には、比較的細いねじが
設けられており、該ねじは、窒化チタニウムで被覆した
チタニウムのような適当な生体適合性材料で出来たもの
であることが好ましい締付けナット２８の内ねじ部分に
係合する。締結具２０の外側部分２６の最外端には、締
付け用の平坦部（図示せず）が設けられている。これら
の締付け用平坦部にトルクを加えて、比較的粗いねじ部
分２４を回して椎骨Ｖ内に入れる。締結具２０が椎骨及
び複合骨プレート１０に接続された後、締結具の全長が
最小であるように締結具の外端部分を切り落す。
【００１５】中間部分３２には、締付け用平坦部が設け
られており、締付けナット２８を締め付けるとき、この
締付け用平坦部は、該締結具が回転しないように保持す
る。更に、締結具の中間部分３２は、複合骨プレート１
０に当接して係合する平坦な外側面を有している。締付
けナット２８を締め付ければ、締結具２０の締付けナッ
ト２８と中間部分３２との間で複合骨プレート１０は強
固に把持される。
【００１６】締結具２０は多くの異なる構造とすること
が可能であるが、本発明の譲受人に譲渡された米国特許
第４，８５４，３１１号による締結具２０の構造とする
ことが好ましい。もう一つの可能な締結具には、骨プレ
ートが締結具に関して動くのを防止し得るように、骨プ
レートに設けた複数のリッジと係合する複数のリッジを
有する締結具が含まれる。
【００１７】複合骨プレート１０の各々は、該骨プレー
トが少なくとも２つの椎骨Ｖを跨ぐのを許容するのに十
分な長さである。図１に示した本発明の実施例におい
て、骨プレート１０は、２つの椎骨Ｖを跨ぐ。勿論、任
意の特定の取り付け状況のとき、複合骨プレートの長さ
は、矯正すべき状態、及び複合骨プレートにより互いに
関して所望の空間的関係に保持されるべき椎骨Ｖの数に
依存する。複合骨プレートの各々は、Ｘ線マーカとして
骨プレートの長手方向全長に沿って伸長するチタニウム
線８０（図２）を含むことが好ましい。
【００１８】複合骨プレート１０の各々は同一であり、
該骨プレートは、少なくとも一つのスロット４０（図３
及び図４）を有し、また、該骨プレートの一端部分に隣
接する位置にある円形の開口部４２を含むことが出来
る。該骨プレート１０は、該骨プレートの長さによって
締結具を受け入れる任意の数のスロットを有することが
出来る。該骨プレート１０は、スロット４０に沿って球
状凹所４６が形成された上面４４を有し、該球状凹所は
締結具２０を受け入れる複数の位置を画成する。骨プレ
ート１０が円形の開口部４２を有するならば、該上面４
４はまた、締結具２０を受け入れる、開口部４２を囲繞
する球状凹所４８を有する。これらの球状凹所４６，４
８は、締付けナット２８の球面の半径と同一の約１６ｍ
ｍの半径を有する。これらの球状凹所は、約１４５°の
角度（挟角）に亘って伸長して、長手方向軸線１２に対
して直角ではなくて、面４４に対して直角の方向に骨プ
レートに加わる締付け力の殆どを向けることにより、骨
プレートが長手方向軸線１２に沿って分離するすなわち
割れるのを防止する。
【００１９】機械加工して骨プレート１０を形成するた
めの複合構造体６０（図７）は、長手方向軸線１０１を
有する円筒状の編組プリフォーム１００（図５）を加熱
し且つ圧密化して形成することが好ましい。該プリフォ
ーム１００は、プリフォームを加熱し且つ圧密化したと
き、単一の複合構造体６０の断面を形成する断面を有す
る。プリフォーム１００は、一又は複数の複合構造体６
０を形成し得るように任意の所望の長さとすることが出
来る。
【００２０】プリフォーム１００は、編組された複合糸
による同心状の複数の層から成っている。これらの繊維
層は、内側層の編組角度が大きく、外側層の編組角度が
比較的小さいというように編組角度が異なる。編組角度
Ｘは、図６に示すように、糸同士Ａ，Ｂの絡み合い角度
の半分の角度として画成される。
【００２１】糸は、カリフォルニア州、アナヘイムのシ
ィテック・インコーポレーション（Ｃｙｔｅｃ Ｉｎ
ｃ．）が製造するウルトラペック（Ｕｌｔｒａｐｅｋ）
／ＡＳ−４複合糸として公知の複合糸である。このウル
トラペック／ＡＳ−４複合糸は、ノース・カロライナ
州、シャルロッテのバスフ・インコーポレーテッド（Ｂ
ＡＳＦ Ｉｎｃ．）が製造するポリ（エチル・ケトン・
エーテル・ケトン・ケトン）をユタ州、マグマのハーキ
ュレス・アドバンスト・マテリアルズ・エンド・システ
ムズ・カンパニー（Ｈｅｒｃｕｌｅｓ Ａｄｖａｎｃｅ
ｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｃ
ｏｍｐａｎｙ）が製造するポリアクリロニトリル前駆体
からなる炭素繊維と複合させて形成したウルトラペック
・ポリマー繊維から成ることが好ましい。炭素繊維が強
化繊維であり、ポリマー繊維は、溶融したときにマトリ
ックス材料となる。強化繊維は、プリフォーム１００の
重量の５５％乃至７５％の範囲内にあることが好まし
い。
【００２２】これとは別に、糸を形成する材料は、炭素
繊維に粉末結合させた、強力に接着するポリマーを有す
る炭素繊維であってもよい。また、糸を形成する材料
は、ポリマー材料を薄く被覆した炭素繊維であってもよ
い。また、炭素繊維に代えて、その他の炭素又は黒鉛繊
維を使用し、或いは、ガラス繊維、窒化シリコン繊維、
もしくはその他の任意の構造体用繊維とすることが出来
る。また、ウルトラペック・ポリマーに代えて、高性能
で生体適合性のあるその他のポリマーを使用してもよ
い。これらには、ＰＥＥＫ、ＰＥＫＫ及びＰＥＫのよう
なその他のポリ（アクリル・エチル・ケトン）及びポリ
（アミド・イミド）、ポリ（アクリル・スルホン）、ナ
イロン、ポリ（ブチレン・フタレート）、ポリ（エチレ
ン・フタレート）及び液晶ポリマー又はその他の類似の
ポリマーが含まれるが、これらにのみ限定されるもので
はない。
【００２３】プリフォーム１００は、同心状の半径方向
内側層１０２を複数、備えており（その一つの層を図５
及び図６に示す）、これらの層は、二軸状の編組複合糸
から成っている。これらの層１０２の各々の編組角度Ｘ
は、約６０°乃至９０°の範囲にある。この編組角度は
可能な限り９０°に近いことが好ましい。同心状の複数
の内側層１０２は、プリフォーム１００の厚さの約１／
３を占めるようにすることが好ましい。層の数及び実際
の編組角度は、編組工程によって変更が可能である。
【００２４】編組糸から成る同心状の複数の中間層１０
４，１０６は、同心状の複数の半径方向内側層１０２の
外側に接する。同心状の複数の中間層１０４，１０６の
編組角度Ｘは、約４０°乃至約５５°の範囲にある。複
数の中間層は、二軸状の編組糸から成る、同心状の複数
の第一の層１０４（その一つを図５に図示）と、該第一
の複数の層の外側に接する、三軸状の編組糸から成る、
同心状の複数の第二の層１０６（その一つを図５に図
示）とを含む。三軸状の編組糸は、図６に示した二軸状
の編組糸のパターンと同様のパターンを有し、さらに別
系統の糸がプリフォーム１００の長手方向軸線１０１に
対し平行に伸長している。
【００２５】チタニウム線８０が第二の複数の層１０６
の一つに編組されている。複数の中間層１０４，１０６
は、プリフォーム１００の厚さの約１／３を占めること
が好ましい。中間層１０４，１０６の実際の数、及び中
間層１０４，１０６の編組角度は、編組工程によって変
更が可能である。
【００２６】三軸状の編組糸から成る、同心状の複数の
半径方向外側層１１０（その一つを図５に図示）は、複
数の中間層１０４，１０６の外側に接している。同心状
の複数の外側層１１０の各々の編組角度は、約０°乃至
約４５°の範囲にある。編組角度は、可能な限り０°に
近いことが好ましい。同心状の複数の外側層１１０は、
プリフォーム１００の厚さの約１／３を占めることが好
ましい。外側層１１０の数及び外側層１１０の実際の編
組角度は、編組工程によって変更が可能である。
【００２７】三軸状の編組糸から成る同心状の半径方向
の最外側層１１２は、同心状の複数の半径方向外側層１
１０の外側に接している。該最外側層１１２は、約４０
°乃至約６５°の編組角度を有する。最外側層１１２
は、相互に緊密に編組されており、このため、糸が容易
に分離せず、プリフォーム１００の取り扱いを容易にす
る。最外側層１１２のバイアス端（０°以外の編組角度
を以てバイアスされた糸）の約半分は、ポリマー糸から
成り、このバイアス端の残りの半分がウルトラペック／
ＡＳ−４複合糸から成り、また、軸端（編組角度０°の
軸方向の糸）はウルトラペック／ＡＳ−４複合糸から成
り、複合構造体６０のポリマーの多い面を提供するよう
にすることが好ましい。
【００２８】強化繊維の少なくとも一部は、プリフォー
ムの編組前に屈曲させることが好ましい。すなわち複合
糸は、撚り、または、コイル状とし、或いは波状にする
ことが出来、また、強化繊維に縮みを持たせてもよい。
このため、複合構造体の応力−歪み曲線（図７）は、
「つま先」領域２００と線状領域２０２とを有する。低
応力レベルのとき、応力−歪み曲線は、非線状であり、
より高応力レベルのとき、応力と歪みは、略比例する。
低応力のとき、複合構造体６０のマトリックス材料は、
変形する一方で、強化繊維は直線状となり、より高応力
のときには、強化繊維は直線状となると共に荷重を吸収
する。
【００２９】実験例 複合骨プレートを形成する編組プリフォームの二つの例
が以下の表１及び表２に記載されている。これらの表に
は、半径方向最内側層から半径方向最外側層まで番号を
付けたプリフォームの各同心状層が記載されている。各
層の編組角度及びピック数／インチ（ｐｐｉ）の値が表
に記載してある。このピック数／インチは、相互に絡み
合う点の間の距離として定義し、図６に符号Ｙで示して
ある。
【００３０】 表１ 層 編組角度（°） ｐｐｉ 1 14 14 2 47 13 3 54 12 4 64 14 5 60 9 6 62 9 7 65 9 8 65 8 9 66 8 10 70 9 11 71 9 12 70 8 13 71 8 14 72 8 15 73 8 16 65 5 17 66 5 18 47 10 19 45 8 20 48 8.5 21 43 7 22 45 7 23 45 6.25 24 46 6.25 25 45 5.75 26 45 5.25 27 45 5 28 60 5 層１乃至１７は、４つのバイアス端にて二軸状に編組さ
れている。層１８乃至２１は、１６のバイアス端にて二
軸状に編組されている。層２２及び層２３は、１６のバ
イアス端及び１６個の軸端にて三軸状に編組されてい
る。層２２は、チタニウム線のバイアス端を含む。層２
４乃至２７は、１６のバイアス端及び３２個の軸端にて
三軸状に編組されている。層２８は、複合糸の８つのバ
イアス端、ポリマー糸の２４のバイアス端及び複合糸の
４８個の軸端にて三軸状に編組されている。
【００３１】 表２ 層 編組角度（°） ｐｐｉ 1 33.4 14 2 50.8 13 3 65.5 14 4 71.4 14 5 72.2 12 6 74 12 7 75.8 12 8 77.8 12 9 59.1 4 10 60.1 4 11 54.7 4 12 44.1 2 13 44.8 2 14 45.1 8 15 26.6 3.5 16 25 3 17 26.6 3 18 30.1 3 19 22.2 2 20 28.8 2.5 21 30.2 2.5 22 64.2 7 層１乃至１３は、４つのバイアス端にて二軸状に編組さ
れている。層１４及び層１５は、１６のバイアス端及び
１６個の軸端にて三軸状に編組されている。層１４は、
チタニウム線の軸端を含む。層１６乃至２１は、１６の
バイアス端及び３２個の軸端にて三軸状に編組されてい
る。層２２は、複合糸の８つのバイアス端、ポリマー糸
の８つのバイアス端、及び複合糸の４８個の軸端にて三
軸状に編組されている。
【００３２】両方の実験例において、第一の半径方向最
内側層の幾つかは、編組角度が１４°乃至５４°であ
る。これらの編組角度は、編組工程及び機械の結果であ
る。これらの最内側層は、編組角度が可能な限り９０°
に近いことが好ましい。
【００３３】プリフォーム１００が形成された後、該プ
リフォームを加熱し且つ圧密化して細長の複合構造体６
０とし、この複合構造体６０を機械加工して骨プレート
１０を形成する。該プリフォーム１００は、複数の長さ
に切断して、複数の複合構造体６０を形成する。該プリ
フォーム１００は、金型内に投入し、この金型を負圧機
能を備える高温の圧密化プレスに入れる。このプレスの
負圧チャンバの空気を抜き、温度は４２６℃（８００°
Ｆ）に設定し、圧力は、２２６．５ｋｇ（５００ｌｂ
ｓ）の閉型力に設定する。プレスが４２６℃（８００°
Ｆ）に達するためには、約１時間かかる。プレスの変位
量が減少し、プリフォームが圧密化されたならば、圧力
を３１７１ｋｇ（７，０００ｌｂｓ）まで増大させる。
４５分間、その温度及び圧力を保ち、次に、熱を遮断し
て、プレスの冷却を開始する。金型が周囲温度に達した
後、プレスを開放して、金型を取り出し、圧密化した複
合構造体６０を金型から取り出す。次に、その複合構造
体６０を機械加工して、所望の骨プレート１０を形成す
る。骨プレート１０を機械加工した後、該骨プレートを
アセトンを含む超音波浴内に入れて、残留する微粒子塵
埃を除去する。
【００３４】複合骨プレート１０は、マトリックス材料
及び強化繊維から成る複合構造体６０（図７）から機械
加工される。骨プレート１０を湾曲させる場合には、複
合構造体６０を湾曲状にすることが好ましい。マトリッ
クス材料は、ポリマー材料、即ち、ウルトラペックであ
り、強化繊維は、ＡＳ−４炭素繊維である。強化繊維
は、複合構造体６０の重量の５５％乃至７５％を占める
ことが好ましい。
【００３５】複合構造体６０は、内側部分の全体に亙っ
て伸長する二軸状の編組強化繊維から成る同心状の複数
の層６４（その一つを図７に図示）とマトリックス材料
とから成る半径方向内側部分６２を含む。半径方向内側
部分６２における強化繊維は、複合構造体６０の長手方
向軸線６５に対し略直角に伸長して、骨プレートとして
骨に接続されたとき、構造体が長手方向軸線６５に沿っ
て分離するのに抵抗する。複合構造体６０の軸線６５
は、骨プレート１０の軸線となる。半径方向内側部分６
２における強化繊維の編組角度は約６０°乃至９０°の
範囲にある。この編組角度は、可能な限り９０°に近い
ことが好ましい。
【００３６】複合構造体６０は、半径方向内側部分６２
の外方に位置するマトリックス材料を含む半径方向外側
部分６６を有する。三軸状の編組強化繊維から成る同心
状の複数の層６８（その一つを図７に図示）が長手方向
軸線６５に対し略平行にマトリックス材料を含む半径方
向外側部分６６の全体に亙って伸長して、複合構造体の
曲げに抵抗する。外側部分６６における強化繊維の編組
角度は０°乃至約４５°の範囲にある。この編組角度
は、可能な限り０°に近いことが好ましい。
【００３７】また、複合構造体６０は、内側部分６２の
外側に接するマトリックス材料を含む中間部分７０を有
しており、この中間部分７０には、外側部分６６が外側
に接している。編組強化繊維から成る同心状の複数の層
７２，７４は、中間部分７０の全体に亙って伸長し、そ
の編組角度は約４０°乃至約５５°の範囲にある。中間
部分７０の編組強化繊維から成る同心状の複数の第一の
層７２（その一つを図７に図示）は、二軸状に編組され
ている。中間部分７０の編組強化繊維から成る同心状の
複数の第二の層７４（その一つを図７に図示）が中間部
分の同心状の複数の第一の層７２の外側に接し且つ三軸
状に編組されている。チタニウム線８０は、中間部分７
０を貫通し且つ複合構造体６０の長手方向軸線６５に対
し略平行に伸長して、Ｘ線マーカとして機能する。
【００３８】複合構造体６０は、編組強化繊維を含む半
径方向最外側層８２を有している。該半径方向の最外側
層８２は、半径方向外側部分６６の外側に接している。
半径方向最外側層８２は、三軸状に編組されており、そ
の編組角度は約４０°乃至約６０°の範囲にある。
【００３９】本発明の上記の説明から、当業者には、そ
の改良、変更及び応用例が認識されよう。当業者の技術
範囲に属するかかる改良、変更及び応用例は、特許請求
の範囲に包含することを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による複合骨プレートが取り付けられた
椎骨を所望の空間的関係に保つ脊柱の一部分の部分図で
ある。
【図２】締結具を使用して、複合骨プレートを椎骨に接
続する方法を示す図１の線２−２に略沿った断面図であ
る。
【図３】図１の複合骨プレートの平面図である。
【図４】図３の線４−４に沿った、図３の複合骨プレー
トの断面図である。
【図５】図１の複合骨プレートを形成するときに使用さ
れる、プリフォームの各種の層を示すために一部切り欠
いたプリフォームの概略図である。
【図６】図５のプリフォームの層の一部分の拡大平面図
である。
【図７】機械加工して図１の骨プレートを形成する、構
造体の各種の部分を示すために一部切り欠いた複合構造
体の概略図的な斜視図である。
【図８】図７の複合構造体の応力及び歪みの関係を示す
グラフである。
【符号の説明】
１０ 複合骨プレート ２０ 締結具 ２２ 締結具の内端部分 ２４ ねじ部分 ２６ 締結具の外端部分 ２８ 締付けナット ３２ 中間部分 ４０ スロット ４２ 開口部 ４４ 上面 ４６，４８ 球状凹所 ６０ 複合構造体 １００ 編組プリフォーム Ｃ 脊柱 Ｖ 椎骨

Claims (37)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 長手方向軸線を有する複合構造体にし
    て、 マトリックス材料と該マトリックス材料を通して伸びる
    編組強化繊維とからなる半径方向における内側部分と、 該内側部分の外側に接し、マトリックス材料と該マトリ
    ックス材料を通して伸びる編組強化繊維とからなる半径
    方向における外側部分とを含み、 前記内側部分の編組強化繊維は、分離作用を受ける前記
    複合構造体の長手方向軸線に対し略直角に伸長して前記
    複合構造体が前記長手方向軸線に沿って分離するのに抵
    抗し、 前記外側部分の編組強化繊維は、前記長手方向軸線に対
    し略平行に伸長して前記複合構造体の曲げに抵抗し、 前記複合構造体は、前記半径方向における内側部分と外
    側部分のプリフォームを加熱し且つ圧密化することによ
    り形成されることを特徴とする複合構造体。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の複合構造体にして、前
    記内側部分における前記強化繊維の編組角度が６０°乃
    至９０°の範囲にあり、前記外側部分における前記強化
    繊維の編組角度が０°乃至４５°の範囲にあることを特
    徴とする複合構造体。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載の複合構造体にして、前
    記外側部分の内側に接する中間部分を更に備え、該中間
    部分が、前記内側部分の外側に接し、かつ編組強化繊維
    が該中間部分のマトリックス材料を通して伸長し、 前記中間部分における前記強化繊維の編組角度が４０°
    乃至５５°の範囲であることを特徴とする複合構造体。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載の複合構造体にして、前
    記内側部分、中間部分及び外側部分の各々が、編組強化
    繊維から成る同心状の複数の層を含むことを特徴とする
    複合構造体。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載の複合構造体にして、前
    記内側部分における前記同心状の複数の強化繊維の層
    が、二軸状に編組されることを特徴とする複合構造体。
  6. 【請求項６】 請求項５に記載の複合構造体にして、前
    記中間部分が、同心状の複数の第一の二軸状の編組強化
    繊維層と、同心状の複数の第二の三軸状の編組強化繊維
    層とを含み、前記同心状の複数の第二の強化繊維層が、
    前記中間部分における前記同心状の複数の第一の強化繊
    維層の外側に接することを特徴とする複合構造体。
  7. 【請求項７】 請求項６に記載の複合構造体にして、前
    記外側部分における前記同心状の複数の強化繊維層が三
    軸状に編組されることを特徴とする複合構造体。
  8. 【請求項８】 請求項３に記載の複合構造体にして、前
    記中間部分を前記長手方向軸線に沿って通って伸長する
    チタニウム線を更に備えることを特徴とする複合構造
    体。
  9. 【請求項９】 請求項２に記載の複合構造体にして、前
    記外側部分の外側に接する半径方向の最外側部分を更に
    備え、該最外側部分が４０°乃至６５°の範囲の編組角
    度の編組強化繊維を含むことを特徴とする複合構造体。
  10. 【請求項１０】 請求項１に記載の複合構造体にして、
    該複合構造体が締結具を受け入れる複数の開口部を備え
    ることを特徴とする複合構造体。
  11. 【請求項１１】 請求項１０に記載の複合構造体にし
    て、前記開口部が前記複合構造体の表面に形成された複
    数の球状凹所により画成され、該複数の球状凹所が締結
    具を受け入れる複数の部分を形成し、該凹所の各々が１
    ４５°の角度に亘り伸長する球状円弧を画成することを
    特徴とする複合構造体。
  12. 【請求項１２】 請求項１１に記載の複合構造体にし
    て、前記開口部の少なくとも一つがスロットであり、前
    記凹所が、複数の締結具を受け入れるために、前記スロ
    ットに沿った複数の位置にて形成されていることを特徴
    とする複合構造体。
  13. 【請求項１３】 請求項１２に記載の複合構造体にし
    て、該複合構造体の軸方向端部分に形成された円形の開
    口部を更に備えることを特徴とする複合構造体。
  14. 【請求項１４】 請求項１に記載の複合構造体にして、
    前記強化繊維が前記複合構造体の重量の５５％乃至７５
    ％の範囲にあることを特徴とする複合構造体。
  15. 【請求項１５】 請求項１に記載の複合構造体にして、
    前記強化繊維の少なくとも一部分の繊維が屈曲している
    ことを特徴とする複合構造体。
  16. 【請求項１６】 請求項１５に記載の複合構造体にし
    て、前記強化繊維の前記少なくとも一部分の繊維がコイ
    ル状に巻かれていることを特徴とする複合構造体。
  17. 【請求項１７】 請求項１５に記載の複合構造体にし
    て、前記強化繊維の前記少なくとも一部分の繊維が撚ら
    れていることを特徴とする複合構造体。
  18. 【請求項１８】 複合構造体の使用中、該複合構造体の
    長手方向軸線に沿って分離作用と曲げ作用とを受ける複
    合構造体を製造する方法にして、 長手方向軸線を有するプリフォームの半径方向における
    内側部分を形成する段階にして、該内側部分をマトリッ
    クス材料と該長手方向軸線に対し略直角に伸長する複数
    の第一の編組強化繊維とで形成する段階と、 該内側部分の外側に接するプリフォームの半径方向の外
    側部分を形成する段階にして、該外側部分をマトリック
    ス材料と前記長手方向軸線に対し略平行に伸長する複数
    の第二の編組強化繊維とで形成する段階と、 前記プリフォームを加熱し且つ圧密化して、前記各内側
    部分及び外側部分のマトリックス材料を通して前記第一
    及び第二の複数の編組強化繊維が伸長する複合構造体を
    形成する段階とを有することを特徴とする製造方法。
  19. 【請求項１９】 請求項１８に記載の製造方法にして、
    前記プリフォームの内側部分の前記複数の第一の強化繊
    維を６０°乃至９０°の範囲の編組角度で編組し、前記
    プリフォームの外側部分の前記複数の第二の強化繊維を
    ０°乃至４５°の範囲の編組角度で編組することを特徴
    とする製造方法。
  20. 【請求項２０】 請求項１９に記載の製造方法にして、
    前記外側部分の内側に接し且つ前記内側部分の外側に接
    するプリフォームの中間部分を形成する段階をさらに含
    み、該中間部分は編組角度が４０°乃至５５°の複数の
    第三の編組強化繊維を含むことを特徴とする製造方法。
  21. 【請求項２１】 請求項２０に記載の製造方法にして、
    前記外側部分の外側に接するプリフォームの半径方向の
    最外側部分を形成する段階をさらに含み、該最外側部分
    は編組角度が４０°乃至６５°の範囲の編組強化繊維を
    含むことを特徴とする製造方法。
  22. 【請求項２２】 請求の範囲第２１項に記載の製造方法
    にして、半径方向の最外側部分のバイアス端の約５０％
    をポリマー糸にて編組し、半径方向最外側部分のバイア
    ス端の約５０％を複合されたマトリックスと強化繊維糸
    で編組し、半径方向における最外側部分の軸端を複合さ
    れたマトリックスと強化繊維糸で編組することを特徴と
    する製造方法。
  23. 【請求項２３】 請求の範囲第２０項に記載の製造方法
    にして、前記内側部分、前記中間部分及び前記外側部分
    の各々をプリフォームの太さの約１／３を占めるように
    形成することを特徴とする製造方法。
  24. 【請求項２４】 請求の範囲第２０項に記載の製造方法
    にして、前記内側部分、前記中間部分及び前記外側部分
    の各々の編組強化繊維を同心状の複数の編組繊維層にて
    形成することを特徴とする製造方法。
  25. 【請求項２５】 請求の範囲第２４項に記載の製造方法
    にして、同心状の前記内側部分の複数の編組繊維層を二
    軸状に編組することを特徴とする製造方法。
  26. 【請求項２６】 請求の範囲第２４項に記載の製造方法
    にして、同心状の前記中間部分の第一の編組繊維層を複
    数、二軸状に編組し、該同心状の前記中間部分の第一の
    編組繊維層の外側に接する同心状の中間部分の第二の編
    組繊維層を複数、三軸状に編組することを特徴とする製
    造方法。
  27. 【請求項２７】 請求の範囲第２４項に記載の製造方法
    にして、同心状の前記外側部分の編組繊維層を複数、三
    軸状に編組することを特徴とする製造方法。
  28. 【請求項２８】 請求の範囲第２４項に記載の製造方法
    にして、チタニウム線を前記中間部分内に編組する段階
    を含むことを特徴とする製造方法。
  29. 【請求項２９】 請求の範囲第１８項に記載の製造方法
    にして、編組前に強化繊維の少なくとも一部分の繊維を
    屈曲させる段階を含むことを特徴とする製造方法。
  30. 【請求項３０】 請求の範囲第２９項に記載の製造方法
    にして、強化繊維を屈曲させる前記段階が前記強化繊維
    内にコイルを形成する段階を含むことを特徴とする製造
    方法。
  31. 【請求項３１】 請求の範囲第２９項に記載の製造方法
    にして、前記プリフォームを複合糸により形成する段階
    を含むことを特徴とする製造方法。
  32. 【請求項３２】 請求の範囲第３１項に記載の製造方法
    にして、強化繊維を屈曲させる前記段階が複合糸を撚る
    段階を含むことを特徴とする製造方法。
  33. 【請求項３３】 請求の範囲第１８項に記載の製造方法
    にして、締結具を受け入れる、複数の開口部を前記複合
    構造体に形成する段階を含むことを特徴とする製造方
    法。
  34. 【請求項３４】 請求の範囲第３３項に記載の製造方法
    にして、締結具を受け入れる複数の部分を形成するた
    め、前記複合構造体の表面に１４５°の角度に亘って伸
    長する球状凹所を形成することを特徴とする製造方法。
  35. 【請求項３５】 請求の範囲第３４項に記載の製造方法
    にして、締結具を受け入れる部分を形成する少なくとも
    二つの凹所を有するスロットを形成する段階を含むこと
    を特徴とする製造方法。
  36. 【請求項３６】 請求の範囲第３５項に記載の製造方法
    にして、複合構造体の長手方向軸端部分に一つの締結具
    を受け入れる円形の開口部を形成する段階を含むことを
    特徴とする製造方法。
  37. 【請求項３７】 請求の範囲第１８項に記載の製造方法
    にして、複合構造体の重量の５５％乃至７０％の範囲を
    強化繊維が占めていることを特徴とする製造方法。
JP7267259A 1994-10-14 1995-10-16 複合構造体及びその製造方法 Expired - Fee Related JP3040335B2 (ja)

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