JPH08207151A - 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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JPH08207151A JP7267259A JP26725995A JPH08207151A JP H08207151 A JPH08207151 A JP H08207151A JP 7267259 A JP7267259 A JP 7267259A JP 26725995 A JP26725995 A JP 26725995A JP H08207151 A JPH08207151 A JP H08207151A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 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
製造方法を提供すること。 【解決手段】 複合構造体６０を製造する方法は、プリ
フォーム１００の軸線に対し略直角に伸長する編組強化
繊維を有するプリフォーム１００の半径方向内側部分を
形成する段階と、プリフォーム１００の軸線に対し略平
行に伸長する編組強化繊維を有する、内側部分に外接す
るプリフォーム１００の半径方向外側部分を形成する段
階とを備えている。このプリフォーム１００は金型内で
加熱し且つ圧密化して複合構造体６０にする。該複合構
造体６０は、該構造体６０が分離力を受ける構造体６０
の軸線６５に対し略直角に半径方向内側部分の全体に亙
って伸長し、複合構造体６０の曲げに抵抗する編組強化
繊維を有する。この複合構造体６０は、骨プレート１０
の製造に特に適している。

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層の配向方向は、
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
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の強化繊維を編組して、プリ
フォームの軸線に対して略直角に伸長するようにし、複
合構造体がこのプレフォームの軸線に沿って分離される
ようにする段階を備える方法で複合構造体が製造され
る。半径方向内側部分に外接する半径方向外側部分の強
化繊維は、編組されて、プリフォームの軸線に対して略
平行に伸長する。プリフォームは、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。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ように、プリフォ
ームの加熱及び圧密化の後に、複合構造体を冷却する。
【０００５】該複合構造体は、編組強化繊維から成るマ
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を受ける該複合
構造体の軸線に対して略垂直の内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。マトリックス材
料の半径方向外側部分は、内側部分に外接し、また、該
外側部分は、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編組強化繊
維を有する。
【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
部分を使用して、複合構造体の分離に抵抗することが出
来る。
【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ることがある。マトリックス材
料の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
の分離に抵抗する。更に、半径方向外側部分を貫通して
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防
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。骨の応力−歪み曲線は、応力を
殆ど伴わずに歪みの一部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、応力−歪み曲
線の「つま先」部分と呼ばれることが多い。応力が大き
いと、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、応力が大きい場合、より剛性となり、大
きい荷重から保護する。骨は加えられた荷重を支持し得
るように変容するから、この低応力で骨が変形すること
は、骨が変容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、加えられる応力から遮へいされ、
骨は再吸収する。大きい荷重が加わる箇所に可撓性の埋
込み体を使用する場合、骨の過早の変形及び損傷が生ず
る。この複合構造体は、骨の応力−歪み曲線、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」領域の寸法を増すため、複
合構造体に湾曲した強化繊維を使用することが出来る。
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、強化繊維はコイル状にし、または、波状
とし、或いは縮れさせるすることが出来る。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。より高応力レベルのとき、強化繊維は直線状となっ
て、荷重を吸収し、また、複合プレートは、一層、剛性
となる。
【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、折骨
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性材料で出来た締結具２
０（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に係合する粗ら旋ねじ部分２
４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に接続されたならば、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を締め付けたとき、この
締付け用平坦部は、締結具２０に係合して、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３
２は、複合骨プレート１０に当接状に係合する平坦な外
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少
なくとも十分な長さである。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、矯正すべき状態に、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）を有することが好ましい。
【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依存し
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、締結具２０を受け入れる複数
の位置を画成する上面４４を有する。骨プレート１０が
円形の開口部４２を有するならば、該上面４４もまた、
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、４８は、締付
けナット２８の球面の半径と同一の約１６ｍｍの半径を
有する。これらの球状凹所は、約１４５°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１０
０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６０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、糸同士の絡み合い角度Ａ、Ｂ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複合系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
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。強化繊維は炭素繊維であり、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、編組過程に依存し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に
外接する。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、同心状の第一の層
１０４、複数（その一つを図５に図示）と、該第一の複
数の層に外接する、三軸状の編組糸から成る、同心状の
第二の層１０６、複数（その一つを図５に図示）とを備
えている。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、別系統の糸が
長手方向軸線に対し直角に伸長する糸の間で編組された
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、編組過程に依存して
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に外接している。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４
５°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、編組過程に依存し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
最外側層１１２は、同心状の複数の半径方向外側層１１
０に外接している。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、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
ムの編組前に湾曲させることが好ましい。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、応力及び歪みは、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、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り且つ荷重を吸収する。
【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、複合系の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、編組過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
リフォームは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８００°Ｆに設定
し、圧力は、５００ｌｂｓの閉型力に設定する。プレス
が８００°Ｆに達するためには、約１時間かかる。プレ
スの押し除き量が少なくなり、プリフォームが圧密化さ
れたならば、圧力は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）を有するマトリック
ス材料から成る半径方向内側部分６２を含む。マトリッ
クス材料６２の半径方向内側部分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６２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、マトリックス材料６２
の半径方向内側部分に外接するマトリックス材料６６の
半径方向外側部分を有する。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６６
の半径方向外側部分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、マトリックス材
料の内側部分６２に外接するマトリックス材料の中間部
分７０を有しており、この内側部分６２には、マトリッ
クス材料の外側部分６６が外接している。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
成る同心状の第一の複数の層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第二の複数の層７４（その一
つを図７に図示）が中間部分の同心状の第一の複数の層
７２に外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７０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、編組強化繊維から成る
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、マトリックス材料の半径方向外側部分６６
に外接している。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
の範囲に包合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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２９Ｃ 70/06 // Ｂ２９Ｌ 31:06

Claims (37)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複合構造体にして、 マトリックス材料の半径方向内側部分と、 該内側部分に外接するマトリックス材料の半径方向外側
    部分と、 前記複合構造体が分離力を受ける軸線に対し略直角に前
    記内側部分の全体に亙って伸長し、前記複合構造体が前
    記軸線に沿って分離するのに抵抗する編組強化繊維と、 前記軸線に対し略平行に前記外側部分の全体に亙って伸
    長し、前記複合構造体の曲げに抵抗する編組強化繊維と
    を備え、 前記強化繊維の前記方向が、マトリックス材料及び編組
    強化繊維で出来たプリフォームを加熱し且つ圧密化する
    ことにより設定されるようにした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して、前記
    内側部分における前記強化繊維の編組角度が約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°乃至約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
    記マトリックス材料の外側部分が外接するマトリックス
    材料の中間部分を更に備え、該中間部分が、マトリック
    ス材料の前記内側部分に外接し、編組強化繊維が前記内
    側部分の全体に亙って伸長し、 前記中間部分における前記強化繊維の編組角度が約４０
    °乃至約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備えることを特徴とす
    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、同心状の第一の複数の二軸状の編組強化
    繊維と、同心状の第二の複数の三軸状の編組強化繊維と
    を備え、前記同心状の第二の複数の強化繊維層が、前記
    中間部分における前記同心状の第一の複数の強化繊維層
    に外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に記載に複合構造体にして、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
    記中間部分を貫通し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
    記外側部分に外接する半径方向の最外側部分を更に備
    え、該最外側部分が約４０°乃至約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、
    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側面に形成された球
    状凹所により画成され、該球状凹所が締結具を受け入れ
    る複数の位置を画成し、該凹所の各々が約１４５°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、締結具を受け入れる、前記スロットに沿った
    複数の位置を画成す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、前記構造体の軸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が湾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が撚られること
    を特徴とする複合構造体。
  18. 【請求項１８】 使用中、軸線に沿った分離作用及び曲
    げ作用を受ける複合構造体を製造する方法にして、 プリフォームの半径方向内側部分に対し、前記軸線に対
    し略直角に伸長する第一の複数の編組強化繊維を付与す
    る段階と、 該内側部分に外接するプリフォームの半径方向の外側部
    分に対し、前記軸線に対し略平行に伸長する第二の複数
    の編組強化繊維を付与する段階と、 前記プリフォームを加熱し且つ圧密化して、前記マトリ
    ックス材料のそれぞれ内側部分及び外側部分を貫通して
    伸長する第一及び第二の複数の編組強化繊維を有するマ
    トリックスを形成する段階とを備え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、
    編組角度が約６０°乃至９０°の範囲にてプリフォーム
    の内側部分の前記第一の複数の強化繊維を編組する段階
    と、編組角度０°乃至約４５°の範囲にて前記外側部分
    の前記第二の複数の強化繊維を編組する段階とを備える
    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、
    前記外側部分により外接され且つ前記内側部分に外接す
    る中間部分に対して、編組角度が約４０°乃至約５５°
    の第三の複数の編組強化繊維を付与する段階を備えるこ
    とを特徴とする製造方法。
  21. 【請求項２１】 請求項２０に記載の製造方法して、前
    記外側部分に外接する前記プリフォームの半径方向最外
    側部分に対して、編組角度が約４０°乃至約６５°の範
    囲の編組強化繊維を付与する段階を備えることを特徴と
    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％
    をマトリックス糸にて編組し、半径方向最外側部分のバ
    イアス端の約５０％を複合マトリックス及び強化繊維糸
    で編組し、半径方向最外側部分の軸端を複合マトリック
    ス及び強化繊維糸で編組する段階を備えることを特徴と
    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厚さの約１／３を占めるように
    形成する段階を備え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
    の各々を同心状の複数の編組繊維層にて形成する段階を
    備え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層を複数、二軸
    状に編組し、同心状の前記中間部分の第一の層の複数に
    外接する同心状の中間部分の第二の層を複数、三軸状に
    編組する段階を備え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層を複数、三軸状に編
    組する段階を備え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
    を備える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を湾曲させ
    る段階を備える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、強化繊維を湾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備える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
    を備える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、強化繊維を湾曲状に形成する前記段階が複合糸
    を撚る段階を備える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
    体に形成する段階を備える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、前記複合構造体の側面に約１４５°伸長する球
    状凹所を形成し、締結具を受け入れる複数の位置を画成
    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位置を画成する少なくとも
    二つの凹所を有するスロットを形成する段階を備えるこ
    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備えることを特徴と
    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７５％の範囲を
    占める強化繊維により複合構造体を形成する段階を更に
    備え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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