JPH11200201A - 炭素繊維を用いた伸縮性を有する編み地とこれを用いた補強方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 多様な曲面を有する被被覆物に炭素繊維を容
易に密接させる編み地とこれを用いて補強する方法。 【解決手段】 弾性糸にはウレタン系の糸を使用し、被
覆材を被被覆材に装着した後マトリックス樹脂を塗布含
浸させてロールにより押圧し加熱して樹脂を硬化させ繊
維補強層とする。一例としてホイールのウエル部４が挿
通しうる内径を有する半径一定の円筒２０に編み地１０
ａを巻き付けてその先端部と後端部を貼着又は縫合し編
み地１０ａを筒状にする。この編み地を装着した円筒２
０をウエル部４に被せた後、編み地１０ａを滑らせてウ
エル部４の上に定着させながら円筒２０を脱出させて編
み地をウエル部４に定着させる。ループ糸１２の収縮力
により挿入糸（炭素繊維）１１をウエル部表面に密接さ
せることが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭素繊維を用いた
伸縮性を有する編み地とこれを用いた金属製及び／又は
樹脂製品の被被覆物の補強に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属製及び又は樹脂製製品の補強に炭素
繊維をシート状にして接着する手法は広い分野で用いら
れている。一般に炭素繊維をシート状に形成する手段と
しては炭素繊維を織物としこれにマトリックス樹脂を含
浸させることにより二次加工が容易に行えるようになっ
ている。このような樹脂含浸した炭素繊維織物はプリプ
レグと呼ばれている。従って接着する対象物の表面形状
は平面か円筒面のような起伏の無い面形状が好ましい。
補強を行う対象物の面形状が多様な曲面を有する場合の
プリプレグは柔軟性と伸縮性が要求される。これに対応
する先行技術は特開昭６３−１８３８３６号に伸張可能
なマトリックス樹脂フィルムに炭素繊維を引き揃え接着
して複合体と成し曲面を有する金型にこの複合体を入れ
て加熱プレスすることが記載されている。しかしながら
この場合は伸張のみであるから多様な曲面においては伸
張部分と収縮部分が生じるから必ずしも万全とは云いが
たいものである。

【０００３】本発明者等は多様な曲面を有する車両用ホ
イールのリム部に繊維による補強を試みるうち多様な曲
面に密接し易い繊維構造を見出し本出願に至ったところ
である。車輌用ホイールは強度と軽量化を探求し更に意
匠性の向上を図る上で軽合金製ホイールの発展はめざま
しいものがある。一方更に比重の小さい樹脂製のホイー
ルの開発も積極的に行われ繊維による補強が必須条件と
なっているために多様な曲面に補強繊維を効率よく積層
する技術が多数提案されている。特開昭５５−２５３２
２号に於いてはガラス繊維や炭素繊維などの補強繊維を
素材とし、中心部に向かって放射状の縦糸を有し、円周
方向に緯糸を有する織物が円錐台状に合成樹脂中に介在
されることが記載されている。これはリム面に均等に補
強繊維を配列させるための円形織物でありリムの多様な
曲面に密接させるものではない。同様な技術は特開昭５
６−１５９１５６号にも記載されており螺旋状の織物を
採用しているものである。何れにしても繊維補強を行う
場合は補強面の一端から他端まで直線的に連続した繊維
が配列されることが好ましい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】多様な曲面を有する被
被覆物に炭素繊維を容易に密接させる編み地とこれを用
いて補強する方法を提供すること。

【０００５】

【課題を解決するための手段】炭素繊維及び／又は炭素
繊維から成るテープを挿入糸とし弾性糸をループ糸に使
用して炭素繊維を用いた伸縮性を有する編み地と成し弾
性糸の伸縮力により炭素繊維を金属製及び／又は樹脂製
品の被被覆物に密接させるような被覆材として用いる。
炭素繊維は編み地の編み方向に平行又は直角方向に配列
される。このとき炭素繊維は引き揃えた状態に且つ真っ
直ぐに編み込まれる。炭素繊維から成るテープは数千本
の炭素フィラメントを扁平に樹脂で固定したもので柔軟
性を有する種類のものである。このような編み地を編成
する繊維機械は経編機、丸編機が用いられるが絡み織り
織機から得られる織布も利用できる。この場合は絡み糸
に弾性糸を用いる。弾性糸は一般にポリウレタン系の糸
が使用されるが天然ゴムや合成ゴムなどから成る糸も使
用される。補強用繊維として最もよく用いられる繊維は
炭素繊維であるがその他に繊維の種類としては、シリコ
ンカーバイト繊維、アルミナ繊維、ガラス繊維、芳香属
ポリアミド繊維、ボロン繊維等が用いられる。

【０００６】更に上述した編み地が環状或いは筒状に編
成される場合とシート状に編成され場合があるがシート
状の場合は適宜長さに切断し縫合又は接着により筒状に
して用いる。何れにしても編み地を環状或いは筒状に成
した後被覆材として用いる。なお、一部がシート状でそ
の端部にバンドなどを取着し環状に形成することも環状
に含まれる。

【０００７】また、炭素繊維の配列密度が粗密混在する
ように編み地を作成する。編み地の編成方向に平行して
炭素繊維を編み込んでいく場合はガイドに挿通する糸の
量を変化させればよいが編成方向と直角方向に炭素繊維
を挿入糸として編み込む場合はループ（編み目）の大き
さを変化させるか編み目をとばして挿入すればよい。こ
のような粗密が混在する編み地は被被覆材の補強部分が
全体に及ばない場合に功を奏するものである。

【０００８】炭素繊維の形状としては炭素繊維から成る
テープの幅及び／又は厚みが広狭／厚薄混在するような
テープを用いることも可能である。編み地が伸縮性を有
することから例えば凸状の球面を覆う場合凸状の頂点に
近いほど炭素繊維の配列密度は粗くなるのでテープ幅が
広い方が望ましい。逆に頂点から遠いほど配列密度は密
になるので幅が狭いテープが望ましい。実際にテープを
構成する炭素繊維のフィラメントの数の増減は出来ない
から幅を狭くすればその部分の厚みは厚くなる。

【０００９】上述したような炭素繊維を用いた伸縮性を
有する編み地を用いて金属製及び／又は樹脂製品の被被
覆物の補強を行う場合これの表面の少なくとも一部を覆
うように成した後マトリックス樹脂等を用いて前記の被
被覆物を補強する目的をもって密着固定せしめる。炭素
繊維にマトリックス樹脂を塗布含浸させるために樹脂面
をロールで押圧する。ロールの形状は被被覆物の面形状
に沿った形状と軟質な物性を有するものが好ましい。そ
の後加圧成形するかオートクレーブ養生を行って樹脂を
硬化させる。マトリックス樹脂としては、エポキシ樹
脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フ
ェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂などが
用いられるが弾性糸がウレタンの場合はポリイミド樹脂
の溶剤が悪影響を及ぼす傾向にある。

【００１０】更に、炭素繊維を用いた伸縮性を有する編
み地を少なくとも２層以上に設けて金属製及び／又は樹
脂製品の被被覆物を補強する目的をもって密着固定せし
める。曲面の形状によっては炭素繊維の密度が大きく不
足する場合当該部分に更に編み地を重ねて不足を補うよ
うにする。

【００１１】そして、２層以上編み地を重ねる場合は各
層の炭素繊維の方向が交差するように積層することによ
り補強の方向性を排除する。

【００１２】ホイールのリムは多様な曲面形状を有して
おり更に軽量の軽合金製ホイールを得るためにリムの厚
みを薄くして上述した編み地とマトリックス樹脂を用い
て補強する。

【００１３】その他の応用例として、オートバイ、自動
車、車輌、飛行機、船、建築物、構造物等の骨格部材や
外郭部材の少なくとも一部に炭素繊維を用いた伸縮性を
有する編み地を密接させマトリックス樹脂を塗布含浸さ
せて補強する。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明をホイールを一例とし図を
用いて説明する。図１は一体型軽合金製ホイール１の回
転軸心を含む断面図である。ホイール１は高オフセット
型でディスク２は外側リム３に結合され幅の広い内側リ
ム４を構成しタイヤ装着時のタイヤ落とし込みに有効な
ウエル部５が設けられている。これらリムは全体として
は一種のリブ構造を構成し半径は一定ではないが略円筒
状である。尚外側及び内側リムはタイヤのビード部と接
するビードシート６と脱落を防止するハンプ７及びリム
フランジ８等で構成される。本発明はリムの略円筒状面
に対し炭素繊維補強部９ａ，９ｂ，９ｃを金属部に密着
させて略円筒状部分を構成するものである。Ｓはオフセ
ット寸法を示す。

【００１５】炭素繊維補強部を作成する一実施例を説明
する。図１においてウエル部５を形成する炭素繊維補強
部９ｂはＡ点、Ｂ点、Ｃ点に於ける円周長は異なってい
る。本例に用いた１７″径の鍛造製軽合金ホイールでは
Ａ点とＣ点の円周長の差は１１５ｍｍで８．６％に相当
する。このような略円錐面に炭素繊維を回転軸に平行な
方向に配列するためには一般的なプリプレグを用いるこ
とは出来ない。そこで図２（ａ）に示すような緯糸挿入
編み地１０を編成する。フィラメント数１０００の炭素
繊維集合糸を挿入糸１１とし弾性糸として４０デニール
のスパンデックス糸をループ糸１２に用いて編み目を形
成する。編み幅は特に限定されないが繊維補強に要する
幅に合致する幅のリボン状にするか更に広い幅に編みた
てたシート状にして所定幅に断裁してもよい。挿入糸１
１は編み幅全体に直線的に連続した状態で編み込まれ編
み目は挿入糸を把持するのであるが炭素繊維は滑りやす
いので編み地の片面に一液性エポキシ樹脂を少量付着さ
せて粘着状態とし滑りを防止する。その後挿入糸の折り
返し部１３を切断して用いる。図２（ｂ）は図１（ａ）
の破線で囲まれた部分の拡大図である。なお、折り返し
部１３を切断する替わりに予め糸長を定めて切断しこの
糸の両端をクリップした状態で編み込むことでもよい。

【００１６】ホイールのウエル部４に上記編み地１０を
巻き付ける作業は次のように行われる。先ずウエル部４
の表面に回転軸心に平行で必要な炭素繊維の本数と幅を
定めその本数分だけ編み地１０から切り取り編み地１０
ａを得る。図３はホイールのウエル部４のみを斜視図で
示したものであり編み地１０ａを巻き付けるところを示
している。図１に於ける符号Ａ，Ｂ，Ｃの各点に対応し
て図３の斜視図上にこれらの点を示す。回転軸心に平行
なウエル部面上の点Ａ，Ｂ，Ｃに合致させて編み地１０
ａの先端部を貼着する。点Ａに於けるウエル部の円周長
をＬとすれば編み地１０ａのＤ点を長さＬになるよう引
長し編み地の後端部は回転軸心に平行に支持される。引
長可能なのは経糸にスパンデックス糸を用いているから
である。次いでウエル部４を回転させて点Ａの移動量に
合致させながら編み地の端部Ｅ側を点Ａの周面に沿って
移動させる。この際、点Ｄの移動量は点Ａの移動量と等
しくする。点Ｂ，Ｃの移動量は点Ａのそれに比較して半
径が異なることから当然大きくなるから編み地１０ａの
後端部が回転軸心と平行に保たれるため編み地の一端Ｆ
側は伸張することになる。ウエル部４が１回転したとこ
ろで点Ｄは編み地の先端部と合致して一応編み地１０ａ
は満遍なくウエル部上面に巻き付けられることになるが
ここで問題が生じる。編み地の一端Ｆ側の伸張率は行程
の最初の時点ではＥ側と同一であるが伸張率は徐々に増
加し結果として緯糸１１は回転軸心に平行に配列されな
い。

【００１７】緯糸１１を回転軸心に平行に配列する手法
の一例を図４に示す。編み地１０ａをウエル部４に巻き
付ける際に型ロール１４により延伸する。型ロール１２
は半径は小さいがウエル部の外周と同様の形状を有し前
後に配置された少ロール１５に対して上下運動を行って
編み地１０ａの延伸度を調整する。延伸量は型ロールの
形状により編み地の各部で異なり点Ａ，Ｂ，Ｃに巻き付
けられる緯糸の密度はそれぞれの周長に比例したものと
なり満遍に均一な状態とすることが出来る。この場合は
編み地１０ａは長尺物の方が都合がよい。編み地の先端
部を回転軸心に対して傾斜した位置に貼着すれば緯糸は
回転軸心に対して傾斜した方向即ちバイアス状に配設さ
れる。何れの場合でも編み地の先端部と後端部は平行に
保持する必要がある。

【００１８】更に別の手法を図５を用いて説明する。図
５（ａ）においてウエル部４が挿通しうる内径を有する
半径一定の円筒２０に編み地１０ａを巻き付けてその先
端部と後端部を貼着し編み地を筒状にする。編み地を装
着した円筒２０をウエル部４に被せた後編み地１０ａを
滑らせてウエル部４の上に定着させながら円筒２０を脱
出させる。その状況を図５（ａ），（ｂ）に示す。緯糸
１１は編み地を構成するスパンデックス糸１２の収縮す
る力により半径のことなるウエル部上に密着するように
定着させることが出来る。この場合も編み地を円筒から
滑らせる際に円筒を回転させると緯糸は回転軸心に対し
て傾斜した方向に配設することが出来る。図１に於ける
繊維補強部９ａ，９ｂについても同様な方法で編み地を
固定できるので説明を省く。編み地の定着を行った後エ
ポキシ樹脂を塗布しロールで押圧した後オートクレーブ
による養生を行いウエル部上に緯糸を固定する。本例で
は更に編み地の上に円周方向に連続して繊維を巻き付け
た後エポキシ樹脂を塗布した。最もよく用いられる補強
用の繊維は炭素繊維であるがその他に繊維の種類として
は、シリコンカーバイト繊維、アルミナ繊維、ガラス繊
維、芳香属ポリアミド繊維、ボロン繊維等が用いられ
る。これらの繊維は一種又は二種以上を組み合わせて用
いてもよい。また、マトリックス樹脂としてはエポキシ
樹脂の他に不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹
脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂などが用いられ
る。

【００１９】以上述べたように編み地はシート状又は更
に幅の狭いリボン状にして用いるが編み地を構成する際
に円筒状に編成する方法でも同様に用いることが出来
る。即ち編成方向に挿入糸として炭素繊維を配列し収縮
させるための弾性糸により編み目を構成すればよい。こ
のような筒状或いはシート状の編み地は種々の繊維機械
で作成することができ丸編み機、経編み機等が用いられ
る。本発明に於いては編み地を主体に述べているがこの
ような弾性糸を用いて伸縮性を持たせる場合は織物でも
可能で絡み織りがよい。筒状の編み地又は基布の場合は
適宜長さに切断して用いるが表面の形状が変化するもの
に対して包み込むように炭素繊維を連続的に配設するこ
とが出来る。従って図５（ａ）に於ける編み地１０ａは
筒状の基布でもよい。

【００２０】ところで、図５（ｂ）に於ける点Ａ，Ｂ，
Ｃの周長が異なっているために当然緯糸１１の間隔が異
なり繊維補強の効果が異なることになるので過剰になる
かも知れないが点Ｂ，Ｃを含む周面に更に編み地を重ね
て積層する。このような場合に炭素繊維から成るテープ
を使用するとほぼ解決することが出来る。即ち炭素繊維
フィラメントを収束して扁平に形成したテープを緯糸に
使用した編み地を用いる。編み目が伸張して大きい場合
は扁平な状態が維持され編み目が小さいと丸くなるかた
たむようになり幅が小さくなるからリム表面を満遍なく
炭素繊維で覆うことが出来る。当然のことながら繊維が
扁平な部分は薄く幅が狭くなるにつれて見かけ厚くな
る。

【００２１】次にホイールのリム部がリブ構造により補
強されている場合更に炭素繊維による補強を行った例を
説明する。このリブ構造については本出願人が既に特願
平９−３１９２０４号にて提案しているところであるの
で詳細を省き一例を図を用いて説明する。図６（ａ）は
ホイールのウエル部４の一部に平面形状菱形の凹部２１
を設け結果として高い部分が回転軸心に対して傾斜した
リブ２２，２３を形成したものである。つまりバイアス
方向にリブを構成してウエル部を補強し金属部分の厚み
を薄くすることでより軽量のホイールを提供したもので
ある。しかしながら金属部分の厚みは鍛造製の軽合金製
ホイールの場合２ｍｍより薄くすることは強度の点で不
安が残る。そこで炭素繊維による補強を行って金属部分
の厚みを更に薄くすることが出来る。図６（ｂ）に示す
ように前出の編み地１０ａを緯糸１１が回転軸心に対し
て平行に成るようにして装着し更に連続する炭素繊維２
４をウエル部の円周方向に巻き付けしかる後にエポキシ
樹脂を塗布含浸させロールで押圧した後オートクレーブ
養生を行って樹脂を硬化させる。かくしてウエル部はリ
ブが２方向と炭素繊維補強が２方向の計４方向に補強さ
れたことになる。

【００２２】以上実施例としてホイールに行った例を述
べたがこれに用いる炭素繊維を用いた伸縮性を有する編
み地は多様な曲面に繊維補強を行う場合極めて有効であ
ることが判る。例えばオートバイの燃料タンク、自動車
の車体やバンパー、車輌の外郭部材、飛行機の胴体及び
翼、船の側壁特に軽量なボートの船体、建築物や構造物
では支柱及び梁などに共通して繊維補強が要求されると
ころは多い。共通する曲面として断面が楕円で幅が異な
る被被覆材３０を例にとって説明する。図７（ａ）は被
被覆材３０に挿入糸１１に炭素繊維を用いた筒状の編み
地１０ｂを装着したところを示す。編み地１０ｂは編み
地１０を筒状に縫製したものである。ループ糸１２の伸
縮力により緯糸１１は楕円面に密接する。編み地が筒状
のため被被覆材３０の楕円面は全体が緯糸で覆われる。
また楕円面の一部にのみ繊維補強を施したい場合は図７
（ｂ）に示すようにすればよい。先ず適宜長さに切り取
った編み地１０の両端をクリップ３１で挟着する。クリ
ップにはバンド３２が環状に取り付けられておりバンド
の長さを調整することで編み地１０を伸張することが出
来る。バンドは特に伸縮性を必要としないが被被覆材の
形状によっては伸縮性を持たせた方が固定しやすい場合
がある。その後、マトリックス樹脂を塗布含浸させるが
押圧ロールでしごくか同様の面形状の加圧片で加圧成形
する。また楕円面に局部的に凹部が存在する場合は加圧
成形に頼らざるを得ないがこのような凹部に対しても編
み地１０は満遍なく密接することが出来る。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したように炭素繊維を用いた伸
縮性を有する編み地は多様な曲面を有する被被覆材に極
めて容易に密接するので繊維補強を行う作業時間を大幅
に軽減できる。また編み地を筒状に編成若しくは織成し
て円筒状の構造材に効率よく補強繊維を配設することが
出来るほか装着時に回転を与えてバイアス状に補強繊維
を定着させることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】軽合金製ホイールの断面図である。

【図２】（ａ）は本発明の編み地の一例を示す模式図で
あり、（ｂ）は一部拡大図である。

【図３】（ａ）は本発明の編み地をウエル部に巻き付け
る状況を示す説明図である。

【図４】編み地の延伸度を加減する装置の説明図であ
る。

【図５】（ａ）は筒状に成した編み地の装着方法の説明
図であり、（ｂ）は編み地を装着した直後の状態を示す
説明図である。

【図６】（ａ）はリブを設けたウエル部の一例を示す斜
視図であり、（ｂ）は繊維補強を行った状況を示す説明
図である。

【図７】（ａ）は楕円面を有する被被覆材に繊維補強を
行った一例を示す斜視図であり、（ｂ）は被被覆材の一
部にのみ繊維補強を行う状況を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 軽合金製ホイール ２ ディスク ３ 外側リム ４ 内側リム ５ ウエル部 ６ ビートシート ７ ハンプ ８ リムフランジ ９ａ，９ｂ，９ｃ 炭素繊維補強部 １０，１０ａ 編み地 １１ 挿入糸 １２ ループ糸 １４ 型ロール ２０ 円筒 ２１ 凹部 ２２ リブ ２３ リブ ２４ 炭素繊維 ３０ 被被覆材 ３１ クリップ ３２ バンド

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭素繊維及び／又は炭素繊維から成るテ
   ープを挿入糸とし弾性糸をループ糸に使用して弾性糸の
   伸縮力により炭素繊維を金属製及び／又は樹脂製品の被
   被覆物に密接させるような被覆材として用いることを特
   徴とする炭素繊維を用いた伸縮性を有する編み地。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の編み地を環状或いは筒
   状に成した後被覆材として用いることを特徴とする炭素
   繊維を用いた伸縮性を有する編み地。
3. 【請求項３】 炭素繊維の配列密度が粗密混在すること
   を特徴とする請求項１及び２に記載の炭素繊維を用いた
   伸縮性を有する編み地。
4. 【請求項４】 炭素繊維から成るテープの幅及び／又は
   厚みが広狭／厚薄混在することを特徴とする請求項１〜
   ３のいずれか１項に記載の炭素繊維を用いた伸縮性を有
   する編み地。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭
   素繊維を用いた伸縮性を有する編み地を用いて金属製及
   び／又は樹脂製品の被被覆物の表面の少なくとも一部を
   覆うように成した後マトリックス樹脂等を用いて前記の
   被被覆物を補強する目的をもって密着固定せしめる方
   法。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の方法において炭素繊維
   を用いた伸縮性を有する編み地を少なくとも２層以上に
   設けて金属製及び／又は樹脂製品の被被覆物を補強する
   目的をもって密着固定せしめる方法。
7. 【請求項７】 請求項６に於ける各層の炭素繊維を用い
   た伸縮性を有する編み地の炭素繊維の方向が交差するよ
   うに積層することを特徴とする方法。
8. 【請求項８】 軽合金製ホイールのリム部の少なくとも
   一部に請求項５〜７のいずれか１項に記載の方法を用い
   て補強する方法。
9. 【請求項９】 オートバイ、自動車、車輌、飛行機、
   船、建築物、構造物等の少なくとも一部に請求項５〜７
   のいずれか１項に記載の方法を用いて補強する方法。