JPH10151690A - 繊維強化プラスチック製管状体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】シートワインド法など、バイアス層に段差を生
じてしまう成形法によって製造されていても、軽量かつ
高いねじり強さを持ち、ゴルフクラブやバドミントンラ
ケット用シャフトとして好適に用いられる繊維強化プラ
スチック製管状体を提供する。 【解決手段】バイアス層の巻回数としてｎや（ｎ＋０．
５）を避け、従来中途半端とされる（ｍ＋ｍ／１０）ま
たは、（ｎ＋０．１）〜（ｎ＋０．４）の範囲内にする
（ただし、ｍは９以下の正の整数、ｎは正の整数）。こ
れによりバイアス層の巻き始め部と巻き終わり部に生じ
る段差を分散させて、ねじり破壊の弱点をなくす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、繊維強化プラスチ
ックで構成された管状体に関し、特に、軽量でかつねじ
り力に対する耐性に優れ、ゴルフクラブ用シャフト、バ
ドミントンラケット用シャフトその他のスポーツ用具な
どに用いられるのに適した管状体に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、軽量、高強度、高弾性等の優れた
特性を持つ繊維強化プラスチックを使用した管状体が、
ゴルフクラブ用シャフト、釣竿その他のスポーツ用具
や、ドライブシャフト、ロールその他の一般産業用途な
ど、様々な用途に使用されている。

【０００３】これらの繊維強化プラスチック製管状体
に、ねじり力に対する耐力、すなわちねじり強さを具備
させる目的で、管状体の主軸に対して２０°〜７５°の
角度に配向した強化繊維を含む部分すなわちバイアス層
が配される。

【０００４】このような繊維強化プラスチック製管状体
の成形法として、プリプレグを所定の形状に切り出し、
芯金に巻き付けて成形するシートワインド法が広く行わ
れている。このシートワインド法は、強化繊維の配向や
含有率の制御が容易で管状体の設計の自由度が高いこと
や、表面が平滑で品位の高い管状体が得られることや、
ボイドレス成形が容易であることなど、他の成形法には
ない特長を有している。

【０００５】ところが、このシートワインド法では、所
定の形状に切り出したプリプレグを巻き付けるため、巻
き始め位置と巻き終わり位置に対応してバイアス層に段
差が生じる。巻き始め位置が芯金に接している場合など
は外形上段差はないが、樹脂溜まりが生じて実質的にバ
イアス層の段差があるのと同じことになる。（以下この
ような場合を含めて段差という） この段差で強化繊維は切断されているうえ、その周辺で
は強化繊維の屈曲等が生じるので強度の低い部分となっ
ている。

【０００６】シートワインド法では、管状体の物性に対
称性をもたせることや、管状体の肉厚を均一にする目的
から、通常バイアス層を管状体にｎ回、まれに（ｎ＋
０．５）回巻き付けるようにプリプレグを切り出す大き
さを調整する（ｎは正の整数）。しかし、ｎ回巻き付け
ると、巻き始め位置と巻き終わり位置に対応する２つの
段差が重なってしまい、（ｎ＋０．５）回巻き付ける
と、２層以上のバイアス層を配すときに、もう１枚のプ
リプレグによる段差と重なってしまうことが多い。つま
り、従来の管状体では、バイアス層の段差が分散せず、
集中してしまうので、管状体にねじり力が加わった際
に、このような部分から破壊が生じやすく、結果として
管状体のねじり強さが不十分になってしまう。

【０００７】こうした問題に対して、実公昭６２−２７
３７３号公報には、均質に巻きやすく段差を比較的小さ
くできる極薄プリプレグが記載されている。しかし、こ
の極薄プリプレグの製造には、強化繊維を均一に拡開す
るための特別な工程が必要なため、高価であり、適用で
きる強化繊維の種類も限られる。そのため、これを用い
た管状体のコストが増大したり、管状体の設計の自由度
が小さくなったりするという問題がある。

【０００８】また、特開平７−３９６１１号広報には、
内側のバイアス層をいわゆるフィラメントワインド法で
形成してバイアス層の段差を解消し、その外側の他の層
をシートワインド法で形成することによって設計の自由
度や表面の平滑化を図る方法が記載されている。しか
し、この方法ではフィラメントワインド法とシートワイ
ンド法の双方の装置が必要で、しかも製造に要する時間
も長くなるので、コストが大幅に増大してしまう。ま
た、フィラメントワインド法によって形成される内側の
バイアス層にボイドが形成されやすく、ねじり強度が高
くならない場合があるという問題もある。

【０００９】さらに、特開平４−２１８１７９号広報お
よび特開平５−１６９２６５号広報には、ねじりに対す
る強化層を管状体に付加する方法が記載されており、特
開平６−１１４１３１号広報には、管状体の構成を対称
にする方法が記載されている。しかし、これらの方法で
は、管状体の重量が増加してしまい、また、プリプレグ
の巻き付け回数が増加し、コストが増大してしまう。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
の従来技術の問題を解決し、シートワインド法などで成
形した、バイアス層を有する管状体において、重量やコ
ストをほとんど増大させずに、従来にない高いねじり強
さを有する繊維強化プラスチック製管状体を提供するこ
とにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために以下の構成を有する。

【００１２】すなわち、 （１）管状体主軸に対する強化繊維の巻角度が２０〜７
５°の範囲内にあるバイアス層を有する繊維強化プラス
チック製管状体において、その管状体は、バイアス層に
おける強化繊維の巻回数が（ｍ＋ｍ／１０）になってい
る部分を有していることを特徴とする繊維強化プラスチ
ック製管状体（ただし、ｍは９以下の正の整数）。

【００１３】（２）管状体主軸に対する強化繊維の巻角
度が２０〜７５°の範囲内にあるバイアス層を有する繊
維強化プラスチック製管状体において、その管状体は、
バイアス層における強化繊維の巻回数が（ｎ＋０．１）
〜（ｎ＋０．４）の範囲内にある部分を有していること
を特徴とする繊維強化プラスチック製管状体（ただし、
ｎは正の整数）。

【００１４】（３）所望の形状に切り出した一方向性プ
リプレグを芯金に巻き付けて成形する繊維強化プラスチ
ック製管状体の製造方法において、管状体主軸に対する
強化繊維の巻角度が２０〜７５°の範囲内にあるバイア
ス層を設けるとともに、そのバイアス層における一方向
性プリプレグの巻回数を（ｍ＋ｍ／１０）にすることを
特徴とする繊維強化プラスチック製管状体の製造方法
（ただし、ｎは９以下の正の整数）。

【００１５】（４）所望の形状に切り出した一方向性プ
リプレグを芯金に巻き付けて成形する繊維強化プラスチ
ック製管状体の製造方法において、管状体主軸に対する
強化繊維の巻角度が２０〜７５°の範囲内にあるバイア
ス層を設けるとともに、そのバイアス層における一方向
性プリプレグの巻回数を（ｎ＋０．１）〜（ｎ＋０．
４）の範囲内にすることを特徴とする繊維強化プラスチ
ック製管状体の製造方法（ただし、ｎは正の整数）。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の管状体は、その主軸に対
する強化繊維の巻角度が２０°〜７５°の範囲内にある
部分、つまりバイアス層を有する。主軸に対する強化繊
維の巻角度とは、主軸を含む平面と、その平面を通る強
化繊維がなす角度の絶対値である。

【００１７】バイアス層の強化繊維は、管状体がねじり
力を受けたときに、引張または圧縮の力を受ける。主軸
に対する巻角度が２０°より小さいか、または７５°よ
り大きい強化繊維は、管状体がねじり力を受けても大き
な力を受けないので、管状体のねじり強さにはあまり関
与しない。

【００１８】本発明の管状体のうちの一つは、バイアス
層の強化繊維の巻回数が（ｍ＋ｍ／１０）になっている
部分を有する。ここでｍは９以下の正の整数である。か
かる構成になっていることにより、１つのバイアス層に
よる２カ所の段差が周方向で重なることがなく、かつ複
数のバイアス層を配したときにも、複数の段差が少しづ
つずれて配されるので重なったり接近したりすることが
少なくなる。これによりねじり強さの高いものとするこ
とができる。

【００１９】また、本発明の管状体のうちもう一つは、
バイアス層の強化繊維の巻回数が（ｎ＋０．１）〜（ｎ
＋０．４）の範囲内になっている部分を有する。かかる
構成よっても段差を分散させることができる。巻回数が
ｎに近づくと２つの段差が接近してねじり強さが低下
し、（ｎ＋０．５）に近づくと段差が他のバイアス層の
段差と接近してねじり強さが低下したり、管状体の重量
が増加したりする。

【００２０】すなわち、巻回数を（ｍ＋ｍ／１０）とし
たり、ｎおよび（ｎ＋０．５）を避けたりして、従来い
わば中途半端とされている巻回数にすることにより、従
来にない高いねじり強さを持ち、しかも軽量な管状体が
提供される。また、管状体の物性の対称性や肉厚の均一
性は上記の巻回数にはほとんど影響されない。

【００２１】バイアス層の巻回数が、（ｎ＋０．２）〜
（ｎ＋０．３）の範囲内であると、バイアス層の段差が
均等に分散されやすくなり管状体のねじり強さがより高
くなるとともに、管状体の重量がより軽くなり、重量当
たりのねじり強さをいっそう高くすることができる。

【００２２】バイアス層にねじり力をより多く負担さ
せ、本発明の効果を大きくするために、その強化繊維の
巻角度は４０〜５０°の範囲内にあるのが好ましく、４
５°付近であることがさらに好ましい。

【００２３】バイアス層の強化繊維としては、黒鉛繊維
を含む炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊
維、金属繊維などが挙げられるが、軽量かつ高強度の管
状体とするためには炭素繊維が好ましい。

【００２４】また、ねじり力に対する剛性の高い管状体
とするためには、バイアス層の強化繊維としては弾性率
が少なくとも３５０ＧＰａであることが好ましい。

【００２５】本発明の管状体におけるねじり強さ向上効
果は、管状体の肉厚に対してバイアス層が多い方が顕著
となる。具体的には、バイアス層全体の厚さが管状体肉
厚の少なくとも１０％であることが好ましい。

【００２６】管状体を構成する繊維強化プラスチックの
マトリクス樹脂としては、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など各種の
熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂を使用することができ
る。なかでも、成形が容易で物性にすぐれたエポキシ樹
脂が好ましい。

【００２７】バイアス層の繊維含有率は、成形の容易さ
と管状体のねじり強さの面から４０〜８５体積％がよ
く、より好ましくは５５〜８０体積％がよい。また、バ
イアス層のボイド含有率は、管状体のねじり強さの面か
ら、５体積％未満であるのがよく、好ましくは３体積％
未満であるのがよく、さらに好ましくは１体積％未満で
あるのがよい。

【００２８】バイアス層の他に様々な方向の強化繊維を
含む層を配することによって、管状体に様々な性能を具
備させることができる。曲げ力に対する剛性や強さを具
備させるためには巻角度が１０°をこえない強化繊維を
含むいわゆるストレート層を配すればよく、側方からの
押しつぶし力に対しては巻角度が７５〜９０°の範囲内
にある強化繊維を含むフープ層を配すればよい。

【００２９】本発明の管状体には、強化繊維の巻角度が
正逆両方向である２つのバイアス層をともに有していて
もよい。ここで正逆両方向とは、管状体主軸に対して右
ねじと左ねじの関係にあるような２方向をいう。この場
合、図１のように２つのバイアス層が互いに重なりあ
い、かつ段差が均等に分散していることがとくに好まし
い。

【００３０】本発明の管状体は、肉厚が２ｍｍをこえな
いような薄肉の管状体や、外形が２０ｍｍをこえないよ
うな細径の管状体である場合に、ねじり強さを高くする
効果がとくに大きい。

【００３１】本発明の管状体は、軽量でねじり強さにす
ぐれることから、ゴルフクラブやバドミントンラケット
のシャフト、またスキーポール等のスポーツ用具部品に
用いられるのに特に適している。

【００３２】ゴルフクラブ用シャフトのねじり破壊は、
先端補強部を除いて最も外形の小さい部分に生じること
が多い。従ってこのような部分において本発明の構成を
とっていることが好ましい。なお、先端補強部とは、ゴ
ルフシャフト先端の細径部を補強するために、他の部分
より厚肉とされた部分をいう。

【００３３】本発明によって、全体重量が５０ｇをこえ
ないような軽量であっても、ねじり強さが十分であるよ
うなゴルフクラブ用シャフトが得られる。

【００３４】本発明の管状体を製造するには、所定の形
状に切り出したプリプレグを芯金に巻き付けた後、ラッ
ピングテープを巻き付け、硬化炉などで成形した後、脱
芯してラッピングテープを除去するシートワインド法が
適用できる。バイアス層を設けるため一方向性プリプレ
グを巻き付ける際に、その一方向性プリプレグの巻回数
が（ｍ＋ｍ／１０）となるか、（ｎ＋０．１）〜（ｎ＋
０．４）の範囲内になるように巻き付ければよい。この
巻回数はプリプレグを切り出す大きさを変えることによ
って容易に調整でき、他の工程は従来のシートワインド
法と同様に行うことができるので、設備や工程の変更に
伴うコストの増加はない。

【００３５】また、図１に示したような管状体を製造す
るには、強化繊維の巻角度が正逆両方向になるように重
ねた２枚の一方向性プリプレグを芯金に巻き付ければよ
い。このとき、２枚のプリプレグによる段差を図１のよ
うに分散させるために、巻き終わり位置が互いにずれる
ように、芯金半周分に対応する長さだけずらしてプリプ
レグを重ねてから巻き付けるとよい。

【００３６】

【実施例】

実施例１ バイアス層用として、炭素繊維とエポキシ樹脂からなる
一方向性プリプレグＡ（プリプレグ目付：１７５ｇ／ｍ
² 、繊維含有率：６７重量％、繊維引張弾性率：４３６
ＧＰａ）を、繊維の方向が縦方向に対して４５°になる
ように、縦１０００ｍｍ×横７０ｍｍの長方形に２枚切
り出した。この２枚を、繊維方向が互いに交差するよう
に、かつ横方向に１６ｍｍ（芯金半周分に対応）ずらし
て貼り合わせた。次に、貼り合わせたプリプレグを、離
型処理した外径１０ｍｍ、長さ１４００ｍｍのステンレ
ス製芯金に、プリプレグの縦方向と芯金主軸が一致する
ように巻き付けた。

【００３７】その上に、炭素繊維とエポキシ樹脂からな
る一方向性プリプレグＢ（プリプレグ目付：２２５ｇ／
ｍ² 、繊維含有率：６７重量％、繊維引張弾性率：２９
４ＧＰａ）を繊維の方向が縦方向になるように縦１００
０ｍｍ×横７４ｍｍの長方形に切り出したものを、プリ
プレグの縦方向と芯金主軸が一致するように巻き付け
た。

【００３８】次にシートワインド成形用のラッピングテ
ープを所定の方法で巻き付けた後、硬化炉中で温度１３
０℃、２時間で成形した。

【００３９】成形後、芯金を脱芯し、ラッピングテープ
を除去して繊維強化プラスチック製管状体を得た。

【００４０】この管状体の横断面を研磨し、光学顕微鏡
で観察したところ、一枚のプリプレグＡによるバイアス
層の巻回数は２．１３であった。

【００４１】また、この管状体の長さ１ｍの重量は４
１．２ｇであった。

【００４２】この管状体を、ゲージ長３００ｍｍでねじ
り試験した結果、ねじり強さ（破壊時のトルクと回転角
の積）は８８０Ｎｍ°であり、１ｍ重量当たりのねじり
強さは２１．４Ｎｍ°ｍ／ｇとなった。

【００４３】実施例２ プリプレグＡを横７３ｍｍの長方形に切り出す他は実施
例１と同様にして繊維強化プラスチック製管状体を得
た。

【００４４】この管状体の横断面を研磨し、光学顕微鏡
で観察したところ、一枚のプリプレグＡによるバイアス
層の巻回数は２．２０であった。

【００４５】また、この管状体の長さ１ｍの重量は４
２．６ｇであった。

【００４６】この管状体を、ゲージ長３００ｍｍでねじ
り試験した結果、ねじり強さ（破壊時のトルクと回転角
の積）は１１２０Ｎｍ°であり、１ｍ重量当たりのねじ
り強さは２６．３Ｎｍ°ｍ／ｇとなった。

【００４７】実施例３ プリプレグＡを横７８ｍｍの長方形に切り出す他は実施
例１と同様にして繊維強化プラスチック製管状体を得
た。

【００４８】この管状体の横断面を研磨し、光学顕微鏡
で観察したところ、一枚のプリプレグＡによるバイアス
層の巻回数は２．３８であった。

【００４９】また、この管状体の長さ１ｍの重量は４
４．０ｇであった。

【００５０】この管状体を、ゲージ長３００ｍｍでねじ
り試験した結果、ねじり強さ（破壊時のトルクと回転角
の積）は１１２０Ｎｍ°であり、１ｍ重量当たりのねじ
り強さは２５．５Ｎｍ°ｍ／ｇとなった。

【００５１】比較例１ プリプレグＡを横６６ｍｍの長方形に切り出す他は実施
例１と同様にして繊維強化プラスチック製管状体を得
た。

【００５２】この管状体の横断面を研磨し、光学顕微鏡
で観察したところ、一枚のプリプレグＡによるバイアス
層の巻回数はちょうど２であった。

【００５３】また、この管状体の長さ１ｍの重量は３
９．８ｇであった。

【００５４】この管状体を、ゲージ長３００ｍｍでねじ
り試験した結果、ねじり強さ（破壊時のトルクと回転角
の積）は７１０Ｎｍ°であり、１ｍ重量当たりのねじり
強さは１７．８Ｎｍ°ｍ／ｇとなった。

【００５５】比較例２ プリプレグＡを横８３ｍｍの長方形に切り出す他は実施
例１と同様にして繊維強化プラスチック製管状体を得
た。

【００５６】この管状体の横断面を研磨し、光学顕微鏡
で観察したところ、一枚のプリプレグＡによるバイアス
層の巻回数はちょうど２．５であった。

【００５７】また、この管状体の長さ１ｍの重量は４
５．７ｇであった。

【００５８】この管状体を、ゲージ長３００ｍｍでねじ
り試験した結果、ねじり強さ（破壊時のトルクと回転角
の積）は９５０Ｎｍ°であり、１ｍ重量当たりのねじり
強さは２０．８Ｎｍ°ｍ／ｇとなった。

【００５９】

【発明の効果】本発明の繊維強化プラスチック製管状体
は、バイアス層の巻回数が（ｍ＋ｍ／１０）または（ｎ
＋０．１）〜（ｎ＋０．４）の範囲内にある部分を有し
ていることにより、バイアス層の段差が適当に分散し、
重量やコストをほとんど増大させずに、従来にない高い
ねじり強さを有する（ただし、ｍは９以下の正の整数、
ｎは正の整数）。

【００６０】本発明の管状体は、軽量でかつ高いねじり
強さを有することにより、ゴルフクラブ用シャフトやバ
ドミントンラケット用シャフトとして特に好適に用いら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様に係る管状体の横断面を示
す図である。

【符号の説明】

１：バイアス層（正方向） ２：バイアス層（逆方向） ３：バイアス層の段差（巻き始め位置） ４：バイアス層の段差（巻き終わり位置） ５：樹脂溜まり

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 管状体主軸に対する強化繊維の巻角度が
   ２０〜７５°の範囲内にあるバイアス層を有する繊維強
   化プラスチック製管状体において、その管状体は、バイ
   アス層における強化繊維の巻回数が（ｍ＋ｍ／１０）に
   なっている部分を有していることを特徴とする繊維強化
   プラスチック製管状体（ただし、ｍは９以下の正の整
   数）。
2. 【請求項２】 管状体主軸に対する強化繊維の巻角度が
   ２０〜７５°の範囲内にあるバイアス層を有する繊維強
   化プラスチック製管状体において、その管状体は、バイ
   アス層における強化繊維の巻回数が（ｎ＋０．１）〜
   （ｎ＋０．４）の範囲内にある部分を有していることを
   特徴とする繊維強化プラスチック製管状体（ただし、ｎ
   は正の整数）。
3. 【請求項３】 巻回数が（ｎ＋０．２）〜（ｎ＋０．
   ３）の範囲内にあることを特徴とする請求項２に記載の
   繊維強化プラスチック製管状体。
4. 【請求項４】 バイアス層の強化繊維の巻角度が４０〜
   ５０°の範囲内にあることを特徴とする請求項１〜３の
   いずれかに記載の繊維強化プラスチック製管状体。
5. 【請求項５】 バイアス層の強化繊維が炭素繊維である
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の繊維
   強化プラスチック製管状体。
6. 【請求項６】 管状体主軸に対する巻角度が１０°を超
   えない強化繊維を含むストレート層をさらに有している
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の繊維
   強化プラスチック製管状体。
7. 【請求項７】 管状体主軸に対する強化繊維の巻角度が
   正逆両方向であるバイアス層をともに有していることを
   特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の繊維強化プ
   ラスチック製管状体。
8. 【請求項８】 前記部分における肉厚が２ｍｍを超えな
   いことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の繊
   維強化プラスチック製管状体。
9. 【請求項９】 前記部分における外径が２０ｍｍを超え
   ないことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の
   繊維強化プラスチック製管状体。
10. 【請求項１０】 請求項１〜９のいずれかに記載の繊維
    強化プラスチック製管状体を有することを特徴とするゴ
    ルフクラブ用シャフト。
11. 【請求項１１】 前記部分が、先端補強部を除いて最も
    外径の小さい部分にあることを特徴とする請求項１０に
    記載のゴルフクラブ用シャフト。
12. 【請求項１２】 全体重量が５０ｇを超えないことを特
    徴とする請求項１０または１１に記載のゴルフクラブ用
    シャフト。
13. 【請求項１３】 請求項１〜９のいずれかに記載の繊維
    強化プラスチック製管状体を有することを特徴とするバ
    ドミントンラケット用シャフト。
14. 【請求項１４】 所望の形状に切り出した一方向性プリ
    プレグを芯金に巻き付けて成形する繊維強化プラスチッ
    ク製管状体の製造方法において、管状体主軸に対する強
    化繊維の巻角度が２０〜７５°の範囲内にあるバイアス
    層を設けるとともに、そのバイアス層における一方向性
    プリプレグの巻回数を（ｍ＋ｍ／１０）にすることを特
    徴とする繊維強化プラスチック製管状体の製造方法（た
    だし、ｍは９以下の正の整数）。
15. 【請求項１５】 所望の形状に切り出した一方向性プリ
    プレグを芯金に巻き付けて成形する繊維強化プラスチッ
    ク製管状体の製造方法において、管状体主軸に対する強
    化繊維の巻角度が２０〜７５°の範囲内にあるバイアス
    層を設けるとともに、そのバイアス層における一方向性
    プリプレグの巻回数を（ｎ＋０．１）〜（ｎ＋０．４）
    の範囲内にすることを特徴とする繊維強化プラスチック
    製管状体の製造方法（ただし、ｎは正の整数）。
16. 【請求項１６】 管状体主軸に対する強化繊維の巻角度
    が正逆両方向になるように、かつ、巻き終わり位置が互
    いにずれるように、２枚の一方向性プリプレグを重ねた
    後に芯金に巻き付けてバイアス層を形成することを特徴
    とする請求項１４または１５に記載の繊維強化プラスチ
    ック製管状体の製造方法。