JPH07223272A - シャフト状複合部材並びにその製造方法 - Google Patents

シャフト状複合部材並びにその製造方法

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JPH07223272A
JPH07223272A JP86295A JP86295A JPH07223272A JP H07223272 A JPH07223272 A JP H07223272A JP 86295 A JP86295 A JP 86295A JP 86295 A JP86295 A JP 86295A JP H07223272 A JPH07223272 A JP H07223272A
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JP
Japan
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composite member
ply
fiber
fiber component
component
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JP86295A
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English (en)
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Peter A Quigley
エイ． クイグレイ ピーター
Steven C Nolet
シー． ノレット スティーブン
James L Gallagher
エル． ギャラガー ジェイムス
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Fiberspar Corp
Original Assignee
Composite Development Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 急激に加えられた大きな力に対して高い衝撃
耐性を有し、高い曲げ剛性、高いねじり耐性、破損時の
安全性を有する、複数のプライから成るシャフト状複合
部材とその製造方法を提供する。 【構成】 （１）複合部材に加えられた急激な力に耐
え、緩衝するように機能する内プライと、（２）荷重支
持中間プライと、（３）耐摩耗性外プライと、から成
る。これらのプライは、複数の、しばしば互いに編み合
わされたファイバ成分を有し、これらのファイバ成分
は、破損時に鋭い破損部が生じないように、ナイロン−
６等の熱可塑性マトリックス材料に埋め込まれている。
１つあるいはそれ以上のプライが、二軸状あるいは三軸
状に編み合わされたファイバ形状を有し、編み合わされ
たファイバ成分の１つあるいはそれ以上は、複合部材の
周りにらせん状に巻き付けられていてもよい。らせん配
向を有するファイバ成分の配向角度は変更可能であり、
配向角度によって複合部材全体の曲げ剛性を調節するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、複数のプライから構成
された管状シャフト構造を有する複合部材並びにその製
造方法に関する。より詳細には、高い衝撃耐性及び高い
軸方向曲げ剛性を有し、軸方向曲げ剛性が軸に沿って変
更可能である、管状シャフト構造を有する複合部材並び
にその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】従来、ホッケースティック、ラクロスステ
ィック、ゴルフクラブ、スキーストック等、管状シャフ
ト構造を有する用具を使用するスポーツ用の管状シャフ
トは、木製であった。最近になって、スポーツ用管状シ
ャフトの製造に、アルミニウム、グラファイト、ファイ
バーグラス、炭素繊維強化プラスチック等の複合材料が
用いられるようになってきた。
【０００３】複合材料及び複合部材は、軽量で高い強度
が必要となる場合にしばしば使用される。このような複
合部材は、１或いはそれ以上のプライと、ポリマーマト
リックスとから構成されており、各プライ中のファイバ
の幾何学的形状によって、複合部材の剛性や他の物理的
性質が決まる。例えば、米国特許第５，１８８，８７２
号では、高い曲げ剛性を有する複合部材の一例が開示さ
れている。しかし、この複合部材の構造と製造方法を、
ホッケー、ゴルフ、ラクロス、スキー等のスポーツ用管
状シャフトに応用しようとすると、いくつかの制限があ
った。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の複合材料の製造
工程では、製造されたスポーツ用管状シャフトの軸方向
剛性を軸に沿って変化させることができなかった。そこ
で製造者らは、シャフトをテーパさせたり、材料の量を
軸に沿って増減させることで、軸方向の剛性が変化した
シャフトを製造していた。しかし、このような技術によ
って製造されたシャフトは、使用者にとって扱いにく
く、また、製造も容易でなかった。また、競技記録が更
新され、人間の肉体的限界が近づくにつれて、スポーツ
用管状シャフトの強度と耐性の向上に対する要求が高ま
っているが、従来の管状シャフトは、構造上、性能に限
界があった。そのために、従来の管状シャフトは、シャ
フトに加わる様々な力に耐えることができずに、通常の
競技中に破損することがあった。従来の管状シャフト
は、破損すると鋭く裂けた破損部を生じ、スポーツ選手
が破損部で怪我をする危険性があった。そのため、管状
シャフトの性能と構造の改良が望まれていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するためになされたものであり、従来のシャフトに
比べて衝撃耐性と曲げ剛性が高いスポーツ用具に適した
シャフトを提供することを目的とする。
【０００６】また、本発明は、断面積を一定に保ちつ
つ、様々な軸方向剛性を有する管状シャフトを提供する
ことと、様々な軸方向剛性を有する管状シャフトの製造
方法を提供することを別の目的とする。
【０００７】さらに、本発明は、破損した場合に鋭い破
損部を形成しないようなスポーツ用具に適した管状シャ
フトを提供することを別の目的とする。
【０００８】さらに、本発明は、上記のスポーツ用管状
シャフトの製造に適した複合部材及び複合材料の構造並
びに製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】上記並びにその他の目的を達成するために
なされた本発明の複合部材は、複数のプライから成り、
縦軸に沿って剛性を有する。ここで、「シャフト状複合
部材」は中空の管状部材を指し、「シャフト」、「クラ
ブ」、「マレット」、「スティック」等のスポーツ用具
を含む。また、「ファイバ成分」は、「ファイバ」、
「プリフォーム」、「ヤーン」を含み、所定のあるいは
ランダムな配向で編み合わせ、絡ませ、縫い込み、巻き
付けることができるあらゆるファイバ材料を指す。さら
に、「プライ」は、「ラミネート」、「層」、「サブプ
ライ」を含み、場合によっては、層、サブプライ、或い
は複数のファイバ成分からなる層状構造を指す場合もあ
る。
【００１０】本発明は、複数のプライから成り、縦軸に
沿って剛性を有するシャフト状複合部材を提供すること
を目的とする。このシャフト状複合部材は、複合部材に
急激に加えられた力に耐え、力を緩衝するための衝撃耐
性内プライを、少なくとも１つ備えることを特徴とす
る。この内プライは第１ファイバ成分とマトリックス材
料から成り、複合部材の曲げ剛性の第１フラクションを
提供する。このシャフト状複合部材はさらに、内プライ
の外側に、複合部材に加えられた荷重を実質的に支持す
るための荷重支持中間プライを、少なくとも１つ備える
ことを特徴する。この中間プライは、第２ファイバ成分
と前記マトリックス材料から成り、複合部材の曲げ剛性
の第２フラクションを提供する。さらに、このシャフト
状複合部材は、中間プライの外側に、磨耗に耐えるため
の外プライを、少なくとも１つ備えることを特徴とす
る。外プライは、第３ファイバ成分と前記マトリックス
材料から成り、複合部材の曲げ剛性の第３フラクション
を提供する。複合部材全体の曲げ剛性は、各プライの曲
げ剛性によって決まる。
【００１１】第１、第２及び第３フラクションの合計
が、複合部材全体の曲げ剛性である。ここで、第２フラ
クションは、第１及び第３フラクションよりも大きく、
第２フラクションは、第１及び第３フラクションの少な
くとも２倍である。また、第３フラクションは、第１フ
ラクションよりも小さいことが好ましい。典型的には、
第１、第２及び第３フラクションは、複合部材全体の曲
げ剛性のそれぞれ≦２０％、≧５０％、≦３０％を提供
する。
【００１２】本発明のシャフト状複合部材のマトリック
ス材料は、熱可塑性樹脂、ポリエーテル−エーテル−ケ
トン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエチレン、ポリ
プロピレン、ウレタン、エポキシ、ビニルエステル、ポ
リエステル等の樹脂材料から選択される。好ましいマト
リックス材料は、ナイロン−６である。
【００１３】また、本発明のシャフト状複合部材は、追
加のファイバ成分を含んでもよい。この追加のファイバ
成分は、３プライのうちの少なくとも１つのプライのフ
ァイバ成分と編み合わせたり、縫い込まれたりしてい
る。一例として、ステッチングファイバと所定のファイ
バとを編み合わせて、織物状のプライを形成することが
できる。追加のファイバ成分は、ガラス、炭素、アラミ
ド、ポリエステル、或いはそれらの混合物から成る。ス
テッチングファイバをらせん状に巻きつけて、内プラ
イ、中間プライ、外プライのうちの少なくとも１つのプ
ライの少なくとも１つのファイバ成分と編み合わせるこ
とが好ましい。
【００１４】本発明の３プライ複合部材は、上記のステ
ッチンングファイバ様の追加ファイバ成分を含むことが
好ましい。このような追加ファイバ成分は、少なくとも
１つのプライに編み合わされて、複合部材に何らかの特
性を提供する。例えば、時計回りのらせん配向を有する
ファイバ成分及び反時計回りのらせん配向を有するファ
イバ成分を、少なくとも１つのプライのファイバ成分に
編み合わせることが好ましい。らせん配向を有する各フ
ァイバは複合部材の縦軸に対してある角度を有し、各フ
ァイバ成分の角度は、複合部材の縦軸に沿って常に等し
いことが好ましい。また、必要であれば、複合部材の縦
軸に沿ってらせん配向を有する２つのファイバ成分の角
度を変化させて、複合部材の曲げ剛性を調節することも
できる。このように、らせん配向を有する２つのファイ
バ成分は、相補的な幾何学的形状を有する。これらのら
せん配向を有する２つのファイバ成分が複合部材の縦軸
に沿ってピッチ角を変えながら伸張することで、さまざ
まな剛性を有する複合部材が得られる。これらのらせん
配向を有するファイバ成分は、典型的には、炭素、ガラ
ス、ポリエステル、アラミド及びそれらの混合物から成
る。
【００１５】また、３プライ複合部材の少なくとも１つ
のプライが、二軸状に編み込まれていてもよい。二軸状
に編み込まれたプライは、時計回りのらせん配向を有す
るファイバ成分、及び、反時計回りのらせん配向を有す
るファイバ成分を含み、これら２つのファイバ成分は編
み合わされていることが好ましい。
【００１６】さらに、内プライ、中間プライ、外プライ
のうちの１つのプライが、三軸状に編み込まれた形状を
有していてもよい。三軸状に編み込まれたプライは、
（１）縦軸に対して第１らせん配向を有する軸方向に伸
張するファイバ成分と、（２）第１らせん配向に対して
時計回りのらせん配向を有する第１らせんファイバ成分
と、（３）第１らせん配向に対して反時計回りのらせん
配向を有する第２らせんファイバ成分と、を含む。らせ
ん配向を有するファイバ成分の１つ或いはそれ以上が、
軸方向に伸張するファイバ成分と編み合わされているこ
とが好ましい。本発明の３プライ複合部材においては、
中間プライが三軸状に編み込まれている、或いは、中間
プライが三軸状に編み込まれた１或いはそれ以上のサブ
プライを有することが、好ましい。
【００１７】本発明では、第１ファイバ成分は、アラミ
ド、ガラス、線状ポリエチレン、ポリエチレン、ポリエ
ステル、或いは、それらの混合物から選択される。第２
ファイバ成分は、炭素、ガラス、アラミド、或いは、そ
れらの混合物から選択される。第３ファイバは、ガラ
ス、ポリエステル、或いは、それらの混合物から選択さ
れる。
【００１８】本発明は、さらに、３プライシャフト状複
合部材のための追加プライ及びサブプライを提供する。
例えば、本発明による複合部材は、ポリエステル或いは
ガラスから成る第４ファイバ成分がマトリックス材料に
埋め込まれている第４プライを含んでもよい。第４プラ
イは、第３番目の外プライの外側に位置し、曲げ剛性の
第４フラクションを提供する。典型的には、第４フラク
ションは、全体の曲げ剛性の１０％以下である。このよ
うな場合には、第３番目のプライが高い耐磨耗性を有
し、第４プライは審美的外観を提供する。
【００１９】また、本発明では、中間プライが２或いは
それ以上のサブプライを含んでもよい。サブプライのう
ちの少なくとも１つが、三軸状に編み込まれていること
が好ましい。また、中空シャフトの内側に挿入した部材
による応力に耐えるために、複合部材の周囲に巻き付け
られたファイバ成分を含むサブプライを含んでもよい。
複合部材の周囲に巻き付けられたファイバ成分は、外プ
ライに隣接することが好ましく、内プライ及び中間プラ
イの他のファイバ成分を結びつけて、複合部材が縦方向
に裂けることを防止する機能を果たす。また、周囲に巻
き付けられたファイバ成分を複合部材の末端に向かって
より強固に巻き付けることで、端部の強度を補強するこ
ともできる。即ち、周囲に巻き付けられたファイバ成分
は、複合部材の縦軸に対して所定の角度でらせん状に配
向しているが、その角度を複合部材の端部に向かって大
きくすることで、端部の強度を補強することができる。
例えば、複合部材の端部にホッケーブレードを挿入する
ことで端部の内部応力か高まっても、周囲に巻き付けら
れたファイバ成分を有するプライによって端部の応力に
対する耐性が高まっているために、複合部材が悪影響を
受けることはない。
【００２０】また、本発明は、少なくとも１つのプライ
を有する改良された複合部材を提供する。改良された複
合部材は、第１引張モジュラスを有する第１引張ファイ
バ成分を含む。第１引張ファイバ成分は、複合部材の軸
に対して時計回りのらせん配向を有し、複合部材の長さ
方向に沿って第１角度を有する。また、改良された複合
部材は、第１引張モジュラスを有する第２引張ファイバ
成分を含む。第２引張ファイバ成分は、複合部材の軸に
対して反時計回りのらせん配向を有し、複合部材の長さ
方向に沿って第１角度とほぼ同一の大きさの角度を有す
る。
【００２１】さらに、上記の少なくとも１つのプライを
有する複合部材が、第３及び第４の引張ファイバ成分を
含んでもよい。第３引張ファイバ成分は、第２引張モジ
ュラスを有し、軸に対して時計方向のらせん配向を有
し、複合部材の長さ方向に沿って第２角度を有する。第
４引張ファイバ成分は、第２引張モジュラスを有し、軸
に対して反時計方向のらせん配向を有し、複合部材の長
さ方向に沿って第２角度とほぼ同一の大きさの角度を有
する。
【００２２】本発明では、第１及び第２角度が様々に調
節可能であり、第１、第２、第３及び第４の引張ファイ
バ成分の断面積の合計が、複合部材の長さ方向に沿って
ほぼ同一であることが好ましい。ここで、ファイバ成分
の断面積とは、そのファイバ成分が、複合部材の軸方向
の所定の箇所において、複合部材の軸に対して直角方向
に占める面積を指す。従って、第１角度及び第２角度
を、複合部材の長さ方向の１或いはそれ以上の箇所で変
化させて、複合部材の曲げ剛性を変化させた場合にも、
複合部材の断面積はほぼ同一に保たれる。各引張ファイ
バ成分は、ナイロン−６等のマトリックス材料に埋め込
まれていることが好ましく、また、マトリックス材料と
ファイバ成分とを合わせた断面積が、複合部材の軸に沿
ってほぼ同一となることが好ましい。
【００２３】また、時計回りのらせん配向を有する第１
編み込みヤーン成分、及び、反時計回りのらせん配向を
有する第２編み込みヤーン成分が、上記の引張ファイバ
成分の少なくとも１つと編み合わされていてもよい。
【００２４】本発明はさらに、複数のプライから成り、
縦軸に沿って曲げ剛性を変更可能な、複合部材の製造方
法を提供する。本発明による製造方法は、（１）第１引
張モジュラスを有する第１及び第２ファイバ成分を用い
て、前記第１ファイバ成分が複合部材の軸に対して時計
回りのらせん配向を有し、前記第２ファイバ成分が前記
軸に対して反時計回りのらせん配向を有するような第１
プライを作成し、（２）前記第１及び第２ファイバ成分
を、複合部材の長さ方向に沿って変更可能な第１角度で
配置し、例えば、前記第１及び第２ファイバ成分を、同
じ角度で、複合部材の長さ方向に沿って角度を変化させ
ながら配置し、（３）第２引張モジュラスを有する第３
及び第４ファイバ成分を用いて、前記第３ファイバ成分
が複合部材の軸に対して時計回りのらせん配向を有し、
前記第４ファイバ成分が前記軸に対して反時計回りのら
せん配向を有するような第２プライを、前記第１プライ
の上に作成し、（４）前記第３及び第４ファイバ成分
を、複合部材の長さ方向に沿って変更可能な第２角度で
配置する、ステップから成る。前記第１及び第２角度
は、複合部材の長さ方向に沿って調節可能であり、前記
角度を調節することによって、複合部材の曲げ剛性をそ
の方向に変化させることができる。
【００２５】本製造方法では、前記第１プライと第２プ
ライの断面積の合計が複合部材の長さ方向に沿ってほぼ
同一となるように、前記第１プライと第２プライを配置
して、複合部材の管の幅が長さ方向に一定となるように
することが好ましい。ここで、プライの断面積とは、プ
ライが、複合部材の長さ方向の所定の箇所において、複
合部材の軸に対して直角方向に占める面積を指す。
【００２６】
【作用】本発明によれば、様々な改善点を有するシャフ
ト状複合部材が得られる。本発明によるシャフト状複合
部材は、複数のプライから構成され、各プライは、ファ
イバがポリマー樹脂等のマトリックスに埋め込まれた構
造を有する。ファイバとマトリックス材料、及び、ファ
イバ成分の配向の組合せによって、高い衝撃耐性、高い
曲げ剛性を有する管状シャフトが得られる。また、本発
明による複合部材は、荷重支持プライを２つのプライの
間に挟み込み、保護スリーブと隣接するプライの固化マ
トリックス材料の間に鋭い成分を閉じこめている。その
ため、第１に、高い剛性と高い衝撃耐性を有する複合部
材が得られる。第２に、従来の管状シャフトと比べて比
較的軽量な複合部材が得られる。第３に、鋭い破片や破
損部がほとんど生じない複合部材が得られる。
【００２７】また、本発明による複合部材は、シャフト
状で、縦軸に沿って曲げ剛性を有し、円形、楕円形、正
方形、長方形、多角形等の様々な断面を有する管状の複
合部材である。そのために、本発明による複合部材は、
ホッケースティック、ラクロススティック、ポロマレッ
ト、ゴルフクラブ及びスキーストック等の管状シャフト
から成るスポーツ用具の製造に用いられる。
【００２８】
【実施例】以下、本発明の特徴、作用を、図面に基づく
実施例に従い、更に詳しく説明する。図１は、本発明の
第一実施例としての中空のシャフト状複合部材であっ
て、内プライ１２、中間プライ１４、外プライ１６を有
するシャフト状複合部材１０を示す。また、図２は、図
１の複合部材の断面図を示す。この複合部材は、縦軸２
０に沿って真っ直ぐに伸張し、曲げに対して所定の剛性
１８を示し、縦軸２０に沿った部材の長さ方向に沿っ
て、曲げ剛性１８を変化させることができる。曲げ剛性
は、プライ１２、１４、１６の材料及び幾何学的形状に
よって決まる。一般に中間プライは円筒形であり、内プ
ライに接して内プライを覆っている。外プライも同様に
円筒形であり、中間プライに接して中間プライを覆って
いる。
【００２９】各プライ１２、１４、１６は、樹脂等のマ
トリックス材料に埋め込まれた１或いはそれ以上のファ
イバ成分を含む。各プライのファイバの材料と配向は、
そのプライが所望の剛性と運用特性を示すように選択す
る。内プライ１２は、主に衝撃耐性層として機能する。
中間プライ１４は、主に、複合部材１０の荷重支持層と
して機能する。外プライ１６は、主に耐磨耗層として機
能する。即ち、複合部材１０の曲げ剛性１８の大部分
は、中間プライ１４によって提供されており、中間プラ
イ１４は、内プライ１２及び外プライ１６よりも高い剛
性を有する。
【００３０】別の言い方をすれば、プライ１２、１４、
１６には、複合部材１０全体の曲げ剛性１８の一部分が
割り当てられている。即ち、内プライ１２が曲げ剛性１
８の第１フラクションを、中間プライ１４が第２フラク
ションを、外プライ１６が第３フラクションを提供して
おり、全体の曲げ剛性１８は、第１、第２及び第３フラ
クションの合計である。曲げ剛性１８の大部分が中間プ
ライ１４によって提供されているため、第２フラクショ
ンは第１及び第３フラクションよりも大きい。典型的に
は、第２フラクションは、第１及び第３フラクションの
少なくとも２倍の大きさである。また、外プライ１６の
曲げ剛性が最も小さいことが好ましい。即ち、第３フラ
クションが第１フラクションよりも小さいことが好まし
い。
【００３１】より具体的には、内プライ１２が提供する
第１フラクションは、複合部材１０の曲げ剛性１８の２
０％未満であることが好ましい。このプライの主な機能
は、複合部材１０の中空内壁３０を形成する管状壁であ
る背面２８を補強することであり、内プライ１２は外プ
ライ１６に加えられた衝撃に耐え、その衝撃を緩衝する
ように機能する。内プライ１２は、全体の曲げ剛性の２
０％未満を提供するように、マトリックス材料２１で固
定、配向された第１ファイバ成分２２を有し、背面２８
を補強している。
【００３２】中間プライ１４が提供する第２フラクショ
ンは、複合部材１０の曲げ剛性１８の５０％以上である
ことが好ましい。中間プライ１４の主な機能は、複合部
材１０に加えられた曲げ荷重を支持することであり、中
間プライ１４は、全体の曲げ剛性１８の５０％以上を提
供するように、マトリックス材料２１で固定、配向され
た第２ファイバ成分２４を有する。
【００３３】最も外側の層薄膜である外プライ１６が提
供する第３フラクションは、複合部材１０の曲げ剛性１
８の３０％未満であることが好ましい。このプライは主
に２つの機能を有する。第一の機能は耐磨耗機能であ
り、第二の機能は複合部材１０に審美的な表面処理を施
す機能である。外プライ１６は、全体の曲げ剛性の３０
％未満を提供するように、マトリックス材料２１で固
定、配向された第３ファイバ成分２６を有する。第３フ
ァイバ成分は密に織り合わされており、外表面３２の滑
らかなラミネートを形成することが好ましい。
【００３４】図３は、図１の第一実施例による複合部材
の変更例１０’を示す。複合部材の変更例１０’は、内
プライ１２’、中間プライ１４’及び外プライ１６’
と、ファイバ成分２２’、２４’、２６’を含み、更
に、第４ファイバ成分２７を含む第４プライ１７を有す
る。第４プライは、円筒形であり、外プライ１６’に隣
接して、これを覆っている。第４ファイバ成分は、複合
部材１０’全体の曲げ剛性１８’の第４フラクションを
提供する。第４フラクションは、第１、第２及び第３フ
ラクションのどれよりも小さい。第４プライは、全体の
曲げ剛性の１０％未満を提供することが好ましく、主に
耐磨耗層或いは審美的外観を提供するための層として機
能する。
【００３５】プライ１２、１２’、１４、１４’、１
６、１６’及び１７は、複数のサブプライから構成され
ていてもよい。即ち、複数の層或いはサブプライを組み
合わせて複合プライとし、図１及び図３に示したプライ
のような機能を発揮させてもよい。
【００３６】ファイバ成分２２、２２’、２４、２
４’、２６、２６’及び２７は、様々な材料から構成さ
れている。これらのファイバ成分をマトリックス材料と
組み合わせることによって、各プライ１２、１２’、１
４、１４’、１６、１６’及び１７が必要とする剛性が
提供される。衝撃耐性を有する内プライ１２及び１２’
を形成するための第１ファイバ成分としては、Ｄｕｐｏ
ｎｔ社のＫｅｖｌａｒ等のアラミド、ガラス、Ａｌｌｉ
ｅｄ Ｓｐｅｃｔｒａ社のファイバ等の線状ポリエチレ
ン、ポリエチレン、ポリエステル、或いはそれらの混合
物が適している。複合部材１０及び１０’に所定の曲げ
剛性と荷重支持能を持たせるための第２ファイバ成分と
しては、炭素、ガラス、或いはそれらの混合物が好まし
い。耐磨耗性を有する外プライ１６、１６’及び１７を
形成するための第３及び第４ファイバ成分は、ガラス、
ポリエステル、或いはそれらの混合物であることが好ま
しい。
【００３７】本実施例のマトリックス材料２１には、伸
び、剛性及び衝撃耐性が高い熱可塑性材料であるナイロ
ン−６等が適している。或いは、エポキシ、ビニルエス
テル、或いはポリエステル等の熱硬化性材料を用いるこ
ともできる。マトリックス材料は、図１のファイバ成分
２２、２４及び２６の間、及び、図３のファイバ成分２
２’、２４’、２６’及び２７の間に均等に分布する。
マトリックス材料は、複合材料の製造時に溶融状態でフ
ァイバ成分と混和され、焼き付け或いは加熱等の処理に
よって硬化される。マトリックス材料が硬化することに
よってファイバ成分が固定され、硬化したマトリックス
材料とファイバ成分によって、強固な複合部材１０が得
られる。
【００３８】例えば図３において、ナイロン−６をファ
イバ成分２２’、２４’、２６’及び２７の間に均等に
分布させるためには、編み合わせファイバから成るファ
イバプレフォーム等の”乾いた”ファイバ成分を、ε−
カプロラクタム等の粘性の低いナイロンモノマーに含浸
し、ナトリウム等の適切な触媒及びプロモーターを添加
する方法が適している。触媒とプロモーターにより、含
浸後直ちにε−カプロラクタムの重合が起こり、高分子
量のナイロン−６から成るマトリックス材料が得られ
る。マトリックスが高い伸び率と高い耐磨耗性を有し、
割れの伝播を防止する機能を果たすことから、最終的に
得られる複合部材１０’は非常に丈夫である。
【００３９】或いは、乾燥したファイバ状態或いは粉状
態のマトリックス材料を、ファイバ成分２２’、２
４’、２６’及び２７と混合してもよい。乾燥マトリッ
クス材料とファイバ成分との混合物に熱と圧力を加える
ことにより、マトリックスが溶融し、ファイバプレフォ
ーム２２’、２４’、２６’及び２７に含浸して、最終
的に複合部材１０’が得られる。
【００４０】マトリックス材料としてはナイロン−６が
好ましいが、エポキシ、ビニルエステル或いはポリエス
テル等の熱硬化性樹脂を用いても、上記のような高い剛
性を有するシャフト状複合部材を製造することができ
る。例えば、ポリエーテル−エーテル−ケトン（Ｐｅｅ
ｋ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエチ
レン、ポリプロピレン及び熱硬化性ウレタン（ＴＰＵ）
等を用いても、ナイロン−６とほぼ同等の破損耐性が得
られる。
【００４１】プライ１２、１２’、１４、１４’、１
６、１６’及び１７にそれぞれ含まれる第１、第２、第
３及び第４ファイバ成分の配向と幾何学的形状につい
て、図４から図８を参照して説明する。図４から図８
は、本発明による円筒形のプライ４０の平面図であり、
図１及び図３のシャフト状複合部材１０或いは１０’の
各プライ１２、１２’、１４、１４’、１６、１６’及
び１７を構成するために適したものである。プライ４０
は、軸４１に沿って曲げ剛性４３を有する。各プライ４
０は、ファイバ成分４２を少なくとも１種類含み、この
ファイバ成分４２は、上記のファイバ成分２２、２
２’、２４、２４’、２６、２６’及び２７に対応す
る。
【００４２】図４は、縦軸４１ａに沿って軸方向に配置
したファイバ成分４２ａを含むプライ４０ａを示してい
る。ファイバ成分４２ａはマトリックス材料４４ａに埋
め込まれており、これらを硬化させることで、図１から
図３に示すプライ１２、１２’、１４、１４’、１６、
１６’及び１７のような強固なプライが得られる。図４
のファイバ成分が軸方向の幾何学的形状を有すること
で、高い曲げ剛性４３ａが得られ、また、若干の周方向
のねじり剛性４５ａが得られる。ファイバ成分が周方向
に伸張していないため、ねじり剛性４５ａは小さい。そ
のため、図４のプライ４０ａで構成された複合部材は、
比較的容易にねじることができる。しかし、このような
ファイバ形状が好まれる場合もある。例えば、図１及び
図３の複合部材１０及び１０’の各プライを、図４の一
方向を向いたファイバ成分で形成し、ファイバ材料とフ
ァイバ体積を変化させることによって、各プライの剛性
が≦２０％、≧５０％、≦３０％、≦１０％となるよう
に調節することもできる。
【００４３】図５は、ファイバ成分４２ｂが他のファイ
バ成分と編み合わされた構造を有するプライ４０ｂの平
面図である。図５では、ファイバ成分４２ｂが、時計回
りのらせん配向を有するファイバ成分４６ｂ及び反時計
回りのらせん配向を有するファイバ成分４８ｂと編み合
わされている。らせん配向を有するファイバ成分４６ｂ
及び４８ｂ自身も編み合わされていることが好ましく、
ファイバ成分４６ｂ及び４８ｂは、連続的に互いに交差
していることが好ましい。図５のプライ４０ｂは、ファ
イバ成分が三軸状に編み込まれたプライであり、図４の
軸方向の幾何学的形状よりも高い剛性を有する。らせん
配向を有するファイバ成分４６ｂ及び４８ｂによって、
軸方向のファイバ成分４２ｂがマトリックス材料４４ｂ
に強固に結びつけられ、さらに、高い曲げ剛性４３ｂと
ねじり剛性４５ｂが提供される。本発明においては、図
１及び図３の少なくとも中間プライ１４及び１４’が、
三軸状に編み込まれた幾何学的形状を有することが好ま
しい。
【００４４】本発明においては、プライの内部で、ファ
イバ成分を互いに結びつけることが好ましく、らせん配
向を有するファイバ成分は、ステッチングファイバとし
て機能する。即ち、図５のファイバ４６ｂのようなステ
ッチングファイバは、プライ内部のファイバ成分を互い
に編み合わせるように機能する。
【００４５】図５のファイバ成分４６ｂ及び４８ｂは、
同じ材料であることが好ましいが、異なる材料であって
もよい。らせん配向を有するファイバ成分４６ｂ及び４
８ｂに適したファイバ材料としては、炭素、ガラス、ポ
リエステル、アラミド、或いは、これらの混合物が用い
られる。
【００４６】縦軸４１ｂに対するファイバ成分４６ｂ及
び４８ｂの配向角度は、それぞれα及びβである。これ
らは等しいことが好ましいが、必ずしも等しくなくても
よい。角度α及び角度βが変化することにより、曲げ剛
性４３ｂとねじり剛性４５ｂも変化する。このように、
角度α及び角度βを調節して、複合部材の曲げ剛性４３
ｂを変化させることは、本発明の特徴である。角度α及
び角度βの調節は、複合部材の製造中に行われる。
【００４７】例えば、図３の複合部材１０’の曲げ剛性
１８’を、縦軸２０’上の所定の箇所において高めるた
めには、プライ１２’、１４’、１６’或いは１７の何
れかに使用されている図５のプライ４０ｂの縦軸４１ｂ
上の対応する箇所において、角度α及び角度βを０度に
向かって低下させればよい。一方、複合部材１０’の別
の所定の箇所において、ねじり剛性を高めて、曲げ剛性
を低下させる場合には、縦軸４１ｂの対応する箇所にお
いて、角度α及び角度βを最大９０度まで増加させれば
よい。
【００４８】図６は、ファイバ成分の角度を様々に変化
させたプライ４０ｃの平面図である。らせん配向を有す
るファイバ成分４６ｃ及び４８ｃは、プライ４０ｃの軸
方向の異なる位置において、軸４１ｃに対して少なくと
も２つの異なる角度を有する。それによって、１本の複
合部材が、軸方向に沿って様々な曲げ剛性を持ち得る。
図６では、プライ４０ｃはｍ部及びｎ部という２つの部
分から成り、ｍ部とｎ部とではファイバ成分の角度が異
なる。ｍ部では、らせん配向を有するファイバ成分４６
ｃ及び４８ｃの縦軸２０に対する角度が大きい。そのた
めに、ｎ部と比べて、ねじり剛性４５ｃｍが大きく、曲
げ剛性４３ｃｍが小さい。ｎ部では、らせん配向を有す
るファイバ成分４６ｃ及び４８ｃの縦軸４１ｃに対する
角度が小さいため、ｍ部と比べて、ねじり剛性４５ｃｎ
が小さく、曲げ剛性４３ｃｎが大きい。ファイバ成分４
２ｃ、４６ｃ及び４８ｃは、図６のプライ４０ｃの中を
連続的に伸張することが好ましい。らせん配向を有する
ファイバ４６ｃ及び４８ｃの角度は、複合部材の製造時
に調節される。
【００４９】本発明の複合部材は、らせん配向を有する
ファイバ成分のみから成るプライを含んでもよい。例え
ば、図６の一方向性のファイバ成分４２ｃを取り除く
と、らせん配向を有するファイバ成分４６ｃ及び４８ｃ
のみから成るプライ４０ｃが得られる。このようなプラ
イ４０ｃは二軸状プライと呼ばれ、らせん配向を有する
ファイバ成分の角度を調節することで、複合部材の長さ
方向の曲げ剛性とねじり剛性を調節することができる。
らせん状に編み込まれたサブプライから二軸状プライを
形成することもできる。
【００５０】図７は、三軸状構造を有するプライ４０ｄ
の平面図である。本発明においては、図１−１Ｂのプラ
イ１２、１２’、１４、１４’、１６、１６’及び１７
のうちの何れかが、図７に示す三軸状構造を有すること
が好ましい。図４から図６のファイバ成分４２とは異な
り、図７のファイバ成分４２は縦軸４１ｄに対して角度
γのらせん配向を有し、ファイバ成分４６ｄ及び４８ｄ
は角度γに対してらせん配向を有する。ファイバ成分４
２ｄは、剛性が高く、高い引張モジュラスを有する炭
素、ガラス等のファイバ材料から選択される。一方、フ
ァイバ成分４６ｄ及び４８ｄは、引張モジュラスの小さ
い柔軟なヤーン成分から選択される。本発明において
は、図１から図３の中間プライ１４及び１４’が、図７
或いは図５に示すような三軸状プライであることが好ま
しい。
【００５１】図８は、マット状にランダムに編み合わさ
れたプライ４０ｅの平面図である。図８のプライ４０ｅ
は、複数のファイバ様成分４２ｅを含む。ファイバ様成
分４２ｅは、マット状にランダムに編み合わされてお
り、酢酸、デンプン、或いはそれらの混合物等から成る
適切な結合マトリックス（図示せず）により結合されて
いる。ファイバ成分４２ｅは、アラミド、ガラス、線状
ポリエチレン、 ポリエチレン、ポリエステル、或いは
それらの混合物であることが好ましい。
【００５２】図９は、本発明の第二実施例であり、図１
から図３及び図４から図８で説明した幾何学的形状を有
するプライから成る複合部材５０の断面図である。例え
ば、複合部材５０は、内プライ５３、複合中間プライ５
４、及び外プライ５５から成る。中間プライ５４は、サ
ブプライ５４ａ及び５４ｂから成り、各サブプライは図
５から図７に示すように、らせん状に編み込まれている
ことが好ましい。或いは、中間プライ５４のサブプライ
のうちの少なくとも一方が、図４或いは図８に示すよう
ならせん状に編み込まれていないプライであってもよ
い。内プライ５３及び外プライ５５は、図４から図８に
示したどのプライ構造であってもよい。プライ５３、５
４及び５５の相対的な曲げ剛性は、≦２０％、≧５０
％、≦３０％である。
【００５３】図１０は、本発明の第二実施例の変更例で
あり、図１から図３及び図４から図８で説明した幾何学
的形状を有するプライから成る複合部材５２の断面図で
ある。複合部材５２は、内プライ５６、サブプライ５７
ａ、５７ｂ及び５７ｃを含む複合中間プライ５７及び外
プライ５８から成る。図９のプライ構造と同様に、プラ
イ５６、５７及び５８は、各プライの曲げ剛性の相対的
な関係が維持される限りは、図１から図３及び図４から
図８のどのプライから構成されていてもよい。複合部材
５２では、サブプライ５７ｂ及び５７ｃが、図５から図
７に示すような、らせん状に編み込まれたプライ構造を
有することが好ましい。また、サブプライ５７ａは、図
４のような軸方向に伸張する追加のヤーン成分を含むプ
ライであることが好ましい。
【００５４】図１１は、本発明による第三実施例である
複合部材６０を示す。複合部材６０は、６０ａ部及び６
０ｂ部という２つの部分から成り、縦軸２０を有する。
複合部材６０は、第１、第２、第３及び第４引張ファイ
バ成分６２、６４、６６及び６８を含むプライから構成
されている。６０ａ部では、第１及び第２引張ファイバ
成分６２及び６４は、ファイバの剛性を示す第１引張モ
ジュラスを有し、軸２０に対してθの角度で配向してい
る。また、第３及び第４引張ファイバ成分６６及び６８
は、別のファイバ剛性を示す第２引張モジュラスを有
し、軸２０に対してωの角度で配向している。即ち、複
合部材６０の６０ａ部は、図６のような二軸状ファイバ
成分を複数含むプライから成る。
【００５５】複合部材６０の６０ｂ部では、第１及び第
２引張ファイバ成分６２及び６４の軸２０に対する配向
角度が、θからδに増加している。一方、第３及び第４
引張ファイバ成分６６及び６８の配向角度は、ωからσ
に減少している。従って、複合部材６０の６０ａ部及び
６０ｂ部曲げ剛性は異なる。６０ａ部及び６０ｂ部の曲
げ剛性は変更可能であり、ファイバ成分６２、６４、６
６及び６８の材料、大きさ、角度θ、δ、ω及びσに依
存する。第１引張モジュラスと第２引張モジュラスが異
なるため、引張ファイバ成分６２、６４、６６及び６８
の角度を変化させることで、曲げ剛性１８を変更するこ
とができる。これらのファクターは経験的に決定される
が、以下に詳説するように数式から算出することもでき
る。
【００５６】角度θ、δ、ω及びσは、複合部材６０の
断面積が軸に沿って一定となるように、選択されること
が好ましい。即ち、第１及び第２引張ファイバ成分の角
度をθからωへ変化させたら、第３及び第４引張ファイ
バ成分の角度をδからσへ変化させて、複合部材６０の
断面積を一定に保つことが好ましい。
【００５７】図１２及び図１３は、複合部材６０の６０
ａ部及び６０ｂ部の断面図を示したものである。図１２
及び図１３では、複合部材６０全体の断面積は、第１及
び第２引張ファイバ成分６２及び６４によって形成され
たプライと、第３及び第４引張ファイバ成分６６及び６
８によって形成されたプライと、中空の通路７０の直径
と、及び、引張ファイバ成分の間に分布しているマトリ
ックス材料と、によって決まる。引張ファイバ成分６６
及び６８の占める断面積は、図１３よりも図１２の方が
大きく、引張ファイバ成分６２及び６４の占める断面積
は、図１２よりも図１３の方が大きい。
【００５８】図１２及び図１３の断面積分について、図
１１を参照して説明する。６０ａ部では、引張ファイバ
成分６６及び６８は、引張ファイバ成分６２及び６４よ
りも多く複合部材６０の回りに巻き付けられている。言
い換えれば、６０ａ部では、引張ファイバ成分６６及び
６８の角度ωの方が、引張ファイバ成分６２及び６４の
角度θよりも大きく、引張ファイバ成分６６及び６８が
複合部材６０の回りに巻き付けられる頻度の方が、引張
ファイバ成分６２及び６４よりも多い。図１３について
は逆のことがいえる。
【００５９】図１２及び図１３の断面積分布は、複合部
材６０の軸２０に沿って、引張ファイバ成分６２、６
４、６６及び６８、及び、マトリックス材料の単位長さ
当たりの体積を分析することでも理解できる。本発明に
おいては、ファイバ体積フラクションがほぼ一定となる
ように、引張ファイバ６２、６４、６６及び６８と、マ
トリックス材料と、を配置することが好ましい。ここ
で、ファイバ体積フラクションとは、引張ファイバ成分
６２、６４、６６及び６８の単位長さ当たりの体積と、
引張ファイバ成分及びマトリックス材料の組合せの単位
長さ当たりの体積と、の比率として定義される。
【００６０】同様に、複合部材６０は、所定のマトリッ
クス体積フラクションを有することが好ましい。ここ
で、マトリックス体積フラクションとは、マトリックス
材料の単位長さ当たりの体積と、引っ張りファイバ成分
６２、６４、６６及び６８及びマトリックス材料の組合
せの単位長さ当たりの体積と、の比率として定義され
る。本発明においては、マトリックス体積フラクション
を変化させることによって、複合部材６０のモジュラス
や曲げ剛性が調節される。
【００６１】図１１、図１２及び図１３の複合部材６０
は、引張ファイバ成分６２、６４、６６及び６８のうち
の少なくとも１つと編み合わされる、らせん配向を有す
るヤーン成分を少なくとも１つ有することが好ましい。
このようなヤーン成分の一例は、図５に示すヤーン成分
４６ｂである。ヤーン成分は、例えば、アラミド、炭
素、ガラス、ポリエステル、或いはそれらの混合物から
成り、編み合わされた引張ファイバ成分をマトリックス
に結合させる機能を有する。また、ヤーン成分を含むプ
ライの曲げ剛性を変化させることができる。
【００６２】図１１、図１２及び図１３に示された複合
部材６０のマトリックス材料としては、ナイロン−６等
の熱可塑性樹脂が適しているが、図１から図８で述べた
他の樹脂及びマトリックス材料を用いることもできる。
【００６３】複数のプライから成り、図１から図３に示
す軸２０によって代表される縦軸に沿って曲げ剛性を有
する、本発明による複合部材の製造方法は、以下の２ス
テップから成る。ステップ１：第１引張モジュラスを有
する第１及び第２ファイバ成分によって第１プライを形
成し、その際（ｉ）第１ファイバ成分は、複合部材の長
さ方向に沿って、軸に対して変更可能なの第１角度で、
時計回りにらせん配向しており、（ｉｉ）第２ファイバ
成分は、複合部材の長さ方向に沿って、第１角度と同じ
角度で、反時計回りにらせん配向している。ステップ
２：第１引張モジュラスとは異なる第２引張モジュラス
を有する第３及び第４ファイバ成分によって第２プライ
を形成し、その際（ｉ）第３ファイバ成分は、複合部材
の長さ方向に沿って、軸に対して変更可能な第２角度
で、時計回りにらせん配向しており、（ｉｉ）第４ファ
イバ成分は、複合部材の長さ方向に沿って、第２角度と
同じ角度で、反時計回りにらせん配向している。
【００６４】さらに、複合部材の曲げ剛性を、複合部材
の長さ方向の所定の箇所において変更するために、以下
のステップを追加することもできる。ステップ３：変更
可能な第１角度及び第２角度のうちの少なくとも１つ
を、所定の箇所において変更する。
【００６５】或いは、複合部材の断面積を一定に保ちつ
つ、複合部材の曲げ剛性を、複合部材の長さ方向の所定
の箇所において変更するために、ステップ３の代わり
に、以下のステップを用いることもできる。ステップ
３’：変更可能な第１及び第２角度のうちの少なくとも
１つを、所定の箇所において変更しつつ、複合部材の以
下の性質のうちの少なくとも１つを変更する。（ｉ）マ
トリックス材料の単位長さ当たりの体積と、ファイバ成
分及びマトリックス材料の組合せの単位長さ当たりの体
積との比率として定義されるマトリックス体積フラクシ
ョン。（ｉｉ）第１引張モジュラス。（ｉｉｉ）第２引
張モジュラス。（ｉｖ）ファイバ成分の単位長さ当たり
の体積と、ファイバ成分及びマトリックス材料の組合せ
の単位長さ当たりの体積との比率として定義されるファ
イバ体積フラクション。
【００６６】複合部材のどの性質を変更すると、複合部
材の曲げ剛性がどのように変化するかは、数式から算出
できる。また、複合部材の性質のうち、以下に列記した
ものは数式から算出できる。（ｉ）第一引張モジュラ
ス、Ｅf1。（ｉｉ）第２引張モジュラス、Ｅf2。（ｉｉ
ｉ）第１及び第２ファイバ成分の単位長さ当たりの体積
と、第１及び第２ファイバ成分及びマトリックス成分の
単位長さ当たりの体積との比率として定義される、第１
プライの第１体積フラクション、Ｖf1。（ｉｖ）第３及
び第４ファイバ成分の単位長さ当たりの体積と、第３及
び第４ファイバ成分及びマトリックス成分の単位長さ当
たりの体積との比率として定義される、第２プライの第
２体積フラクション、Ｖf2。（ｖ）変更可能な第１角
度、α1。（ｖｉ）変更可能な第２角度、α2。（ｖｉ
ｉ）マトリックスの引張モジュラス、ＥR。及び、（ｖ
ｉｉｉ）マトリックス体積フラクション、ＶR。
【００６７】これらの性質を以下の式に当てはめること
で、複合部材のおよその軸方向剛性、Ｅcompositeが得
られる。 Ｅcomposite＝（Ｅf1）（Ｖf1）ｃｏｓ4α１＋（Ｅf2）
（Ｖf2）ｃｏｓ4α２＋（ＥR）（ＶR）
【００６８】従って、所望の曲げ剛性Ｅcompositeを決
定したら、上記の（ｉ）−（ｖｉｉｉ）の性質を変更す
ることで、所望の曲げ剛性が実現される。製造過程中に
（ｉ）−（ｖｉｉｉ）の性質を再度変更することで、一
本の管状シャフト内において、曲げ剛性を変化させるこ
ともできる。複数の性質を変化させると、様々な曲げ剛
性を有する管状部材を得ることができる。複合部材の断
面積が長さに沿って一定に保たれるように、（ｉ）−
（ｖｉｉｉ）を変更することが好ましい。これらの製造
方法は、引用した米国特許第５，１８８，８７２を参照
することで、よりよく理解できる。
【００６９】以下に、本発明の第四実施例である複合部
材製のラクロスシャフト、並びに、その製造方法を説明
する。本実施例の複合部材は、直線状の管状シャフト部
材であって、高い曲げ剛性、ねじり剛性、耐久性、及び
破損時の安全性を有する。複合部材製のシャフトの長さ
は４０インチである。図１４は、本実施例によるラクロ
スシャフトの断面図７０である。本実施例のラクロスシ
ャフト７０は、図１の複合部材１０に似た３プライ構造
を有し、高い曲げ剛性、高い衝撃耐性及び高い耐久性を
有する。本実施例の複合部材を製造するために用いた材
料を表１に示す。
【００７０】表１ 成分：外ファイバプライ 材料：Ｅ−ガラスファブリック 性質：ファイバモジュラス＝１０．６×１０６ｐｓｉ
（ポンド／立方インチ） 密度＝２．５０ｇ／ｃｍ3 成分：中間荷重支持プライ 材料：炭素／ガラスの三軸状テープ 編み込み：２．９インチ幅のバイヤスヤーンのテープ
（全重量の８０％）が、軸方向に２４°の方向に配向し
ている。軸方向のヤーンはガラスである（全重量の２０
％）。 性質：炭素モジュラス＝３４×１０６ｐｓｉ ガラスモジュラス＝１０．５×１０６ｐｓｉ 炭素密度＝２．５０ｇ／ｃｍ3 ガラス密度＝２．５０ｇ／ｃｍ3 成分：中間荷重支持プライ 材料：Ｅ−ガラス 性質：ファイバモジュラス＝１０．５×１０６ｐｓｉ 密度＝２．５ｇ／ｃｍ3 成分：内ファイバプライ 材料：ＡＤＢ１０ 性質：ファイバモジュラス＝１８．０×１０６ｐｓｉ 密度＝１．４３ｇ／ｃｍ3 成分：マトリックス材料 材料：エポキシ樹脂、ビスフェノールＡエポキシ 硬化剤、芳香性アミン 促進剤、置換硫黄化合物（重量比１００：３２：２）
【００７１】図１５は、本実施例のラクロスシャフト７
０の製造に用いられる装置８０と製造方法を示した説明
図である。装置８０は、固定フレーム８４に固定された
固定マンドレル８２を有する。マンドレル８２は、４１
４０スチール製であり、クロムメッキされている。マン
ドレル８２は、マンドレル支持点８８から、ファイバ形
成ガイド９０ａと、加熱ダイ９２の中心を通って伸張す
る。マンドレル８２の末端（図示せず）は、加熱ダイ９
２の出口と一致する。引き抜き機構９４の回転或いは往
復運動によって、ファイバ材料とマトリックス材料は、
加熱ダイ９２を通過して引き抜かれる。
【００７２】図１の第１ファイバ成分２２のように衝撃
耐性を有する内ファイバ成分９５が、引き抜き機構９４
によって形成ガイド９０ａを通して引っ張られ、それに
よって、固定マンドレル８２の周囲が内ファイバ成分９
５で覆われる。引っ張り速度は１２インチ／分程度であ
ることが好ましい。続いて、内ファイバ成分９５は、ナ
イロン−６や溶融エポキシ樹脂等のマトリックス材料の
バス９６を通過し、マトリックス材料で十分に覆われ
る。バス９６の出口にはアルミニウム製或いはスチール
製の孔付プレートが設けられている（図示せず）。プレ
ートの孔の大きさは、マンドレル８２の直径と内プライ
９９の厚さを足した大きさと一致する。このプレートに
よって、余分なマトリックス材料が内プライ９９の表面
から取り除かれる。
【００７３】バス９６を出ると、内プライ９９は荷重支
持能を有する中間ファイバ成分９８で覆われる。例え
ば、２０本のＥ−ガラスファイバ９８を適切な形成ガイ
ド９０ｂに通すことで内プライ９９を覆い、中間プライ
１０１のファイバ成分９８とする。本実施例の中間プラ
イ１０１は、２枚のサブプライから成り、内プライ９９
の上に三軸状に編み込まれたファイバ成分９８を有す
る。
【００７４】内プライ９９を、中間プライ１０１を形成
する複数の中間ファイバ成分９８で覆った後、中間ファ
イバ成分９８で覆われた内プライ９９をマトリックス材
料の第２バス１００に通し、再度、エポキシ樹脂で十分
に覆う。先のステップと同様に、余分なマトリックス材
料は、バス１００の出口のプレート（図示せず）によっ
て中間プライ１０１から取り除かれる。
【００７５】次いで、中間プライ１０１の上に、外プラ
イ１０５を形成する耐磨耗性ファイバ成分１０２を編み
合わせる。形成ガイド９０ｃによって、内プライ９９及
び中間プライ１０１がファイバ成分１０２によって覆わ
れる。その後、耐磨耗性ファイバ成分１０２で覆われた
内プライ９９及び中間プライ１０１から成るファイバプ
レフォームを、マトリックス材料の第３バス１０４に通
し、エポキシ樹脂で十分に覆う。さらに、プレート（図
示せず）を通して、余分な樹脂を外プライ１０５から取
り除く。
【００７６】次に、３プライから成るプレフォームをス
チール製の加熱ダイ９２に通す。スチール製ダイ９２
は、４１４０スチール製であり、２つの部分からなり、
分割可能なキャビティを形成している。キャビティは、
シャフトの外観に合わせて研磨されており、０．００１
５インチの厚さに硬質クロムメッキされている。ダイ９
２の長さは３６インチで、中央の１８インチが１９０℃
に加熱されている。プレフォーム１０５はダイ９２を通
過する間に硬化し、硬化した部材１０６はダイ９２を出
た後、室温で冷却される。部材１０６は引き抜き機構９
４を通って引っ張られ、刃１０８によって４０インチに
切断され、ラクロスシャフトの製造に用いられる。
【００７７】装置８０によって製造されたシャフト８６
は以下の性質を有する。 シャフトの重量＝２３２．８ｇ ラミネート密度＝１．７０ｇ／立方インチ 縦方向モジュラス＝９．５２×１０6ｐｓｉ（ポンド／
立方インチ） 曲げ剛性（軸に沿った平均ＥＩ）＝２．２０×１０5ポ
ンド平方インチ
【００７８】以下に、本発明の第五実施例である複合部
材製のホッケーシャフト、並びに、その製造方法を説明
する。本実施例の複合部材は、直線状の管状シャフト部
材であって、高い曲げ剛性、衝撃耐性、耐久性、破損時
の安全性を有する。本実施例によるシャフトの断面図１
１０を図１６に示す。本実施例のホッケーシャフトは、
シャフトの曲げ剛性が１２０ｃｍの長さのシャフト１１
０の長さに沿って連続的に変化している。本実施例に用
いた材料を表ＩＩに示す。
【００７９】表ＩＩ 成分：耐摩耗性外プライ 材料：Ｅ−ガラス 性質：ファイバモジュラス＝１０．５×１０６ｐｓｉ
（ポンド／立方インチ） 密度＝２．５ｇ／ｃｍ3 成分：編み合わせヤーン 材料：Ｓ２−ガラス 性質：ファイバモジュラス＝１２×１０６ｐｓｉ 密度＝２．４８ｇ／ｃｍ3 成分：荷重支持中間プライ 材料：炭素繊維 性質：ファイバモジュラス＝３４×１０６ｐｓｉ 密度＝１．７７ｇ／ｃｍ3 成分：内ファイバプライ 材料：ＡＤＢ１０ 性質：ファイバモジュラス＝１８．０×１０６ｐｓｉ 密度＝１．４３ｇ／ｃｍ3 成分：マトリックス材料 材料：ナイロン−６熱可塑性樹脂 カプロラクタメートナトリウム触媒及び活性化剤を用い
たε−カプロラクタムのアニオニック重合（１００％、
２％、２％）
【００８０】以下に、図１に記載されたような３プライ
構造を有し、高い曲げ剛性、衝撃耐性、耐久性を有する
ホッケーシャフト及びその製造方法について説明する。
本実施例においては、様々ならせん編み合わせ技術が採
用されており、シャフト１１０は、長さ方向に沿って様
々な剛性を有する。特に、荷重支持中間プライ及び耐摩
耗性外プライは、図５から図７に示す二軸状あるいは三
軸状の編み合わせ構造を有することが好ましい。
【００８１】図１７は、シャフト１１０を製造するため
の装置１２０と製造方法を示す説明図である。図１５の
装置８０と同様に、装置１２０は、固定フレーム１２４
に固着された固定マンドレル１２２を有する。マンドレ
ル１２２は、４１４０スチール製であり、クロムメッキ
されている。マンドレル１２２は、マンドレル支持点１
２８から、形成ガイド１３０、らせん編み合わせ機１３
２及び１３４を含むファイバ形成装置を通り、加熱ダイ
１３６の中心を通って伸張している。マンドレル１２２
の末端（図示せず）は、加熱ダイ１３６の出口と一致す
る。
【００８２】材料は、回転あるいは往復運動を行なう引
き抜き機構１３８によって引っ張られることにより、加
熱ダイ１３６を通過する。引き抜き機構１３８は、ファ
イバ成分１４０を形成ガイド１３０を通して引っ張り、
それによって、固定マンドレル１２２がファイバ成分１
４０で覆われる。引き抜き速度は、１２インチ／分であ
ることが好ましい。形成された内プライ１４２は、らせ
ん編み合わせ機１３２を通過し、荷重支持中間ファイバ
成分（図示せず）が内プライ１４２に編み合わされて、
中間プライ１４３が形成される。
【００８３】同様に、らせん編み合わせ機１３４によっ
て、耐摩耗性外ファイバ成分（図示せず）が中間プライ
に編み合わされる。このように製造されたプレフォーム
１４４が、スチール製の加熱ダイ１３６内に引き込まれ
る。ダイ１３６は、図１５のダイ９２と同様の構成であ
るが、相違点として、マトリックス材料をダイ１３６内
へ射出するための射出ポート１４８を備える。
【００８４】図１８は、射出ポート１４８の説明図であ
る。マトリックス材料は、２つのリザーバー（図示せ
ず）に蓄えられており、図１８に示すように、ポンプに
よってダイ１３６へ射出され、ファイバ成分１４２、１
４３及び１４４が溶融したマトリックス材料で含浸され
る。一方のリザーバーにはカプロラクタメートナトリウ
ム及びカプロラクタムが蓄えられており（触媒側）、他
方のリザーバーには活性化剤とカプロラクタムが蓄えら
れている。２つのリザーバーからの溶液が混和ヘッド１
５２で等量混合され、ポンプによって１０ポンド／立方
インチの速度で、スチール製ダイ１３６の射出ポート１
５６へ供給される。ナイロンマトリックスのモノマーは
粘性が低く、反応性モノマーと共に、内ファイバ成分１
４２、中間ファイバ成分１４３及び外ファイバ成分１４
４から成るファイバプレフォームに含浸する。ダイ１３
６は、ヒーター１５４によって加熱されており、サーモ
カップル１５６によってモニターされている。プレフォ
ームが加熱ダイ１３６を通過する間に、カプロラクタム
の重合が促進される。複合部材がダイ１３６を出るまで
に反応と硬化が終了し、ナイロン−６マトリックスに埋
め込まれたファイバ構造を有し、高い衝撃耐性を有する
シャフト１２６が得られる。
【００８５】ダイ１３６から出て、重合が終了した複合
部材１４５は室温で冷却される。部材１４５は、引き抜
き機構１３８によって引っ張られ、刃１３９によって、
１２０ｃｍの長さに切断される。切断された複合部材を
用いて、ホッケーシャフトが製造される。
【００８６】図１７の装置１２０及び図１８のダイ１３
６によって製造されたシャフト１２６は、以下の性質を
有する。 シャフトの重量＝３３０．３ｇ ラミネートの平均密度＝１．５６ｇ／立方インチ シャフト基部における曲げ剛性＝１．４２７×１０５ポ
ンド平方インチ シャフトの他端における曲げ剛性＝１．０９６×１０５
ポンド平方インチ
【００８７】以下に、本発明の第六実施例である複合部
材製の管状シャフト、並びに、その製造方法を説明す
る。本実施例の複合部材は、巻き付け構造を有する直線
状の管状シャフト部材であって、高い曲げ剛性、ねじり
剛性、耐久性、破損時の安全性を有し、ホッケースティ
ックに使用される。本実施例による複合部材から製造さ
れたホッケースティックの断面図１７０を図１９に示
す。本実施例の複合部材製シャフトの長さは４８インチ
である。本実施例に用いた材料を表ＩＩＩに示す
【００８８】表ＩＩＩ 成分：外ファイバプライ 材料：Ｅ−ガラス タイプ：９オンス／平方ヤードの平織ファブリック、幅
４．０インチ 性質：ファイバモジュラス＝１０．６×１０６ｐｓｉ 密度＝２．５０ｇ／ｃｍ3 成分：巻き付け構造体 材料：シャフトの軸に対して８０°以上の角度で傾斜し
た炭素繊維 タイプ：低モジュラス、高剛性のグラファイト製のファ
イバトウ 降伏＝６２５ヤード／ポンド 性質：モジュラス＝３４×１０６ｐｓｉ 密度＝１．７６ｇ／ｃｍ3 成分：荷重支持中間プライ 材料：軸方向に並べた炭素繊維 タイプ：低モジュラス、高剛性のグラファイト製のファ
イバトウ 降伏＝６２５ヤード／ポンド 性質：モジュラス＝３４×１０６ｐｓｉ 密度＝２．５０ｇ／ｃｍ3 成分：荷重支持中間プライ 材料：Ｅ−ガラス タイプ：降伏＝６７５ヤード／ポンドのタイプ３０ロー
ビング 性質：ファイバモジュラス＝１０．５×１０６ｐｓｉ 密度＝２．５ｇ／ｃｍ3 成分：荷重支持中間プライ 材料：±４５°に並べた低モジュラス、高剛性の炭素繊
維 タイプ：１１．７オンス／平方ヤードのダブルバイヤス
ステッチ炭素繊維製ファブリック、幅３ ５／８インチ 成分：内ファイバプライ 材料：ランダムに配向したアラミドファイバ製のファブ
リック タイプ：１．０オンス／平方ヤード、Ｋｅｖｋａｒ−２
９アラミドファイバ、幅３ ３／８インチ 性質：ファイバモジュラス＝１８．０×１０６ｐｓｉ 密度＝１．４３ｇ／ｃｍ3 成分：マトリックス材料 材料：エポキシ樹脂 タイプ：ビスフェノールＡタイプのエポキシ樹脂、硬化
剤は芳香性アミン、活性化剤は置換硫黄化合物 性質：マトリックスモジュラス＝０．４５×１０６ｐｓ
ｉ 密度＝１．１８ｇ／ｃｍ3
【００８９】本実施例では、衝撃耐性を有する内プラ
イ、複数のサブプライから成る荷重支持中間プライ、及
び、耐摩耗性外プライから成り、高い曲げ剛性とねじり
剛性を有するホッケースティック、並びに、その製造方
法を説明する。本実施例の中間プライは、縦方向の裂け
を防止するために、横方向に高い剛性を有する追加プラ
イ、あるいは、サブプライを含むことが特徴である。
【００９０】図１から図１０及び図１９で説明したプラ
イの幾何学的形状を利用した複合部材１７２の断面図を
図２０に示した。複合部材１７２は、内プライ１７４、
サブプライ１７６ａ、１７６ｂ、１７６ｃ及び１７６ｄ
から成る中間プライ１７６、及び外プライ１７８から構
成されている。少なくとも、サブプライ１７６ａ及び１
７６ｃが、図５から図７に示した三軸状編み合わせプラ
イ構造を有することが好ましい。サブプライ１７６ｂ
は、図４に示す軸方向に伸張するヤーン成分を含むこと
が好ましい。サブプライ１７６ｄは、巻き付け構造を有
する。即ち、サブプライ１７６ｄのファイバ成分は、複
合部材１７２の周囲に巻き付けられており、それによっ
て、複合部材１７２の内部、つまり内空間１７３で発生
した応力に対する耐性が提供される。内プライ１７４と
外プライ１７８の構造は、図４から図８のうちのどの構
造であってもよい。プライ１７４、１７６及び１７８の
曲げ剛性は、それぞれ≦２０％、≧５０％、≦３０％で
ある。
【００９１】図２１は、本実施例と同様の巻き付け構造
を有するプライを含む、３プライ複合部材１０’’を部
分的に切り欠いた側面図である。複合部材１０’’は、
第１ファイバ成分２２’’を有する内プライ１２’’
と、第３ファイバ成分２６’’を有する外プライ１
６’’を有し、これらは図４から図８に記載された幾何
学的形状のいずれかを有する。中間プライ１４’’は、
２つのサブプライ１４ａ’’及び１４ｂ’’から構成さ
れている。サブプライ１４ａ’’は、ファイバ成分２４
ａ’’を含み、図４から図８のいずれかの幾何学的形状
を有する。サブプライ２４ｂ’’はファイバ成分２４
ｂ’’を含み、ファイバ成分２４ｂ’’は複合部材の周
囲に巻き付けられており、かつ、複合部材１０’’の軸
２０’’に対してらせん配向を有する。複合部材の周囲
に巻き付けられたファイバ成分２４ｂ’’は、外プライ
１６’’のすぐ内側に位置して外プライ１６’’に隣接
しており、複合部材１０’’の内部から発生した応力に
耐えるように機能する。
【００９２】図２２は、図１９のホッケースティック、
図２０の複合部材１７２、図２１の複合部材１０’’を
製造するための装置１８０の説明図である。装置１８０
は、固定フレーム１８４に固定された固定マンドレル１
８２を有する。マンドレル１８２は４１４０スチール製
であり、クロムメッキされている。マンドレル１８２
は、マンドレル支持点１８８から、ファイバ形成ガイド
１９０ａを通り、加熱ダイ１９２の中心を通過して伸張
している。マンドレル１８２の末端（図示せず）は、加
熱ダイ１９２の出口と一致する。回転運動あるいは往復
運動を行なう引き抜き機構１９４によって、ファイバ材
料およびマトリックス材料が引っ張られる。
【００９３】衝撃耐性を有する内ファイバ成分１９５ａ
及び１９５ｂが、引き抜き機構１９４によって引っ張ら
れることで、形成ガイド１９０ａを通過する。それによ
って固定マンドレル１８２の周囲が内ファイバ成分１９
５ａ及び１９５ｂで覆われる。引っ張り速度は１２イン
チ／分であることが好ましい。次に、内ファイバ成分１
９５ａ及び１９５ｂは、ナイロン−６あるいは溶融エポ
キシ樹脂等のマトリックス材料のバス１９６を通過し、
マトリックス材料で十分に覆われる。バス１９６の出口
にはアルミニウムあるいはスチール製の孔付プレート
（図示せず）が備えられており、孔の大きさはマンドレ
ル１８２の大きさと内プライ１９９の厚さを足した大き
さである。このプレートによって、余分なマトリックス
材料が内プライ１９９の表面から取り除かれる。
【００９４】バス１９６を出た後、内プライ１９９は、
荷重を支持するための中間ファイバ成分１９８ａ、１９
８ｂ、１９８ｃ及び１９８ｄで覆われる。図９Ａに示す
ように、中間プライを構成するサブプライのうちの２つ
は三軸状に編み合わされており、１つは軸方向に伸張し
ており、もう１つは巻き付け構造を有する。即ち、ファ
イバ成分１９８ａ及び１９８ｂは、内プライ上で三軸状
に編み合わされており、ファイバ成分１９８ｃは、マン
ドレルの長さ方向に沿って、ファイバ成分１９８ａ及び
１９８ｂが形成するサブプライの間に配置される。そし
て、ファイバ成分１９８ｄは、ファイバ成分１９８ａ、
１９８ｂ及び１９８ｃによって形成されたサブプライの
うえに巻き付けられる。例えば、内ファイバ成分１９８
ａを、±４５°の角度に配向したダブルバイヤスファブ
リックとすることもできる。あるいは、降伏＝６７５ヤ
ード／ポンドのＥ−ガラスファイバ２２４本と、１２ｋ
（降伏＝６２５ヤード／ポンド）の炭素繊維３６本を、
適切な形成ガイド１９０ｂを通して、内プライ１９９を
覆い、中間プライの一部としてもよい。
【００９５】中間プライの４つのサブプライのうちの３
つが形成されたら、部分的に形成された中間プライで覆
われた内プライ１９９を、マトリックス材料の第２バス
２００に通し、再度エポキシ樹脂で十分に覆う。バス２
００の出口に設けられたプレート（図示せず）によっ
て、バス２００の出口で余分なマトリックス材料が取り
除かれる。
【００９６】次いで、中間プライの第４番目のファイバ
成分１９８ｄである１対の１２ｋ炭素繊維トウを、５回
転／インチの頻度でラミネート上に巻き付ける。この炭
素繊維の角度は、シャフトの軸方向に対して約８３°で
ある。第４サブプライのファイバ成分１９８ｄが、内プ
ライと中間プライの他のサブプライの上に巻き付けられ
ることで、全てのファイバ成分が密に結びつけられる。
一般に第４サブプライの厚さは、０．００５インチであ
り、中空シャフトの内部で発生した応力に耐えるための
荷重支持サブプライとして機能する。これは、例えば、
複合部材製シャフト内にホッケーのブレードを挿入する
場合に、複合部材が破損したり裂けたりしないように、
複合部材を補強する際に有用である。
【００９７】ついで、中間プライ２０１は、外プライ２
０５を構成する耐摩耗性の外ファイバ成分２０２で覆わ
れる。内プライ１９９及び中間プライ２０１は、形成ガ
イド１９０ｃを通過することでファイバ成分２０２で覆
われる。その後、マンドレル上の内プライ１９９、中間
プライ２０１及びそれを覆う耐摩耗性ファイバ成分２０
２から成るファイバプレフォームは、マトリックス材料
の第３バス２０４を通過して、エポキシ樹脂で覆われ
る。バス２０４を通過した後、プレート（図示せず）に
よって余分な樹脂が取り除かれ、外プライ２０５が形成
される。
【００９８】次に、３プライから成るプレフォームは、
図８のダイに類似したスチール製の加熱ダイ１９２へ引
き込まれる。スチール製のダイ１９２は４１４０スチー
ル製であり、２つの部分からなり、分割可能なキャビテ
ィを形成する。ダイの内部は、シャフトの外観にあわせ
た形状を有し、０．００１５インチの厚さに硬質クロム
メッキされている。ダイ１９２の長さは３６インチで、
中央の１８インチが１９０℃に加熱されている。プレフ
ォーム２０５は、ダイ１９２の中を通過する間に硬化さ
れる。硬化した複合部材２０６はダイ１９２を出ると、
室温で冷却される。冷却後の複合部材２０６は引き抜き
機構１９４によって引っ張られ、刃２０８によって４８
インチに切断される。切断された複合部材１８６はホッ
ケースティックの製造に使用される。
【００９９】装置１８０で製造されたシャフト状複合部
材１８６は、以下の性質を有する。 シャフトの重量＝３５２ｇ ラミネートの密度＝１．６４ｇ／ｃｍ３ 長手方向モジュラス＝５．３５８×１０６ｐｓｉ 長手方向曲げ剛性＝１．３０２×１０５ポンド平方イン
チ
【０１００】図２３は、第六実施例のファイバを周囲に
巻き付けた構造を有するサブプライの変更例２２０を示
す。サブプライ２２０は、中間プライのサブプライのう
ちの１つであり、典型的には、外プライのすぐ内側に外
プライに隣接して位置する。図２３においては、中間サ
ブプライを形成するファイバ成分２２２は、シャフトの
中央２２４付近では角度が小さく、シャフトの末端２２
６付近では角度が大きくなるように巻き付けられてい
る。このように巻き付け角度を変化させることによっ
て、シャフトの末端２２６が選択的に補強されて、シャ
フトの横方向剛性が高められる。この構造によれば、例
えばホッケーブレードを中空シャフトの端部に挿入する
ことによって発生する応力に対する耐性が提供される。
【０１０１】
【発明の効果】以上詳説したように、本発明のシャフト
状複合部材は、内ファイバ成分とマトリックス材料から
成り、複合部材に急激に加えられた力に耐え、これを緩
衝するための衝撃耐性内プライと、中間ファイバ成分と
マトリックス材料から成り、複合部材に加えられた荷重
を支えるための荷重支持中間プライと、外ファイバ成分
とマトリックス材料から成り、摩耗に耐え、審美的外観
を提供するための耐摩耗性外プライから構成される。こ
のため、各プライのファイバ成分の幾何学的形状を様々
に調節することで、所望の衝撃耐性、曲げ剛性、ねじり
剛性等の性質を有するシャフト状複合部材を容易に製造
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による第一実施例である３プラ
イ複合部材を、部分的に切り欠いた側面図である。
【図２】図２は、図１の複合部材をＩＩ、ＩＩで切断し
た断面図である。
【図３】図３は、本発明による第一実施例の変更例であ
る４プライ複合部材を、部分的に切り欠いた側面図であ
る。
【図４】図４は、本発明によるプライの一例であって、
同一方向を向いたファイバ成分を有し、本発明による複
合部材中のプライを構成するために適したプライの側面
図である。
【図５】図５は、本発明によるプライの一例であって、
三軸状に編み込まれたファイバ成分を有し、本発明によ
る複合部材中のプライを構成するために適したプライの
側面図である。
【図６】図６は、本発明による剛性が変化するプライの
一例であって、縦軸に対して様々な角度で三軸状に編み
込まれたファイバ成分を有し、本発明による複合部材中
のプライを構成するために適したプライの側面図であ
る。
【図７】図７は、本発明によるプライの一例であって、
縦軸からずれた角度で三軸状に編み込まれたファイバ成
分を有し、本発明による複合部材中のプライを構成する
ために適したプライの側面図である。
【図８】図８は、本発明によるプライの一例であって、
ランダムに絡まったファイバ成分を有し、本発明による
複合部材中のプライを構成するために適したプライの側
面図である。
【図９】図９は、本発明による第二実施例の３プライ複
合部材であって、荷重支持中間プライが２つのサブプラ
イから構成された複合部材の断面図である。
【図１０】図１０は、本発明による第二実施例の変更例
である３プライ複合部材であって、荷重支持中間プライ
が３つのサブプライから構成され複合部材の断面図であ
る。
【図１１】図１１は、本発明による第三実施例の複合部
材であって、複合部材の長さ方向に沿って様々な角度で
二軸状に編み込まれたファイバ成分を含む複合部材の側
面図である。
【図１２】図１２は、図１１の複合部材をＸＩＩ、ＸＩ
Ｉで切断した断面図である。
【図１３】図１３は、図１１の複合部材をＸＩＩＩ、Ｘ
ＩＩＩで切断した断面図である。
【図１４】図１４は、本発明による第四実施例の複合部
材によるラクロススティックの断面図である。
【図１５】図１５は、第四実施例の複合部材を製造する
ための装置と製造方法を示す説明図である。
【図１６】図１６は、本発明による第五実施例の複合部
材によるホッケーシャフトの断面図である。
【図１７】図１７は、第五実施例の複合部材を製造する
ための、加熱ダイを含む装置と製造方法を示す説明図で
ある。
【図１８】図１８は、図１７の装置の加熱ダイの説明図
である。
【図１９】図１９は、本発明による第六実施例の複合部
材によるホッケースティックの断面図である。
【図２０】図２０は、第六実施例の３プライ複合部材で
あって、中間プライが４つのサブプライから構成され、
サブプライの１つが縦方向の裂けを防止するために周囲
に巻き付けられている複合部材の断面図である。
【図２１】図２１は、第六実施例の複合部材と同様の巻
き付け構造を有するサブプライを含み、複数のサブプラ
イを有する３プライ複合部材を、部分的に切り欠いた側
面図である。
【図２２】図２２は、図１９のホッケースティック、図
２０の複合積層物及び図２１の部材のような複合部材を
製造するための、加熱ダイを含む装置と製造方法の説明
図である。
【図２３】図２３は、第六実施例によるファイバを周囲
に巻き付けた構造を有するサブプライの変更例の側面図
である。
【符号の説明】
１０・・・シャフト状複合部材、１２・・・内プライ、１４・・
・中間プライ、１６・・・外プライ、２０・・・縦軸、２１・・・
マトリックス材料、２２・・・第１ファイバ成分、２４・・・
第２ファイバ成分、２６・・・第３ファイバ成分、８２・・・
固定マンドレル、８４・・・固定フレーム、８６・・・シャフ
ト、９０ａ、９０ｂ、９０ｃ・・・形成ガイド、９２・・・加
熱ダイ、９４・・・引き抜き機構、９６、１００、１０４・
・・バス、１０６・・・部材、１０８・・・刃。
───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｂ２９Ｋ 105:08 Ｂ２９Ｌ 9:00 23:00 (72)発明者 スティーブン シー． ノレット アメリカ合衆国 01453 マサチューセッ ツ州 レオミンスター ウエザーベーン ドライブ 103 (72)発明者 ジェイムス エル． ギャラガー アメリカ合衆国 02878 ロードアイラン ド州 ティバートン ホーキンス アベニ ュー 45

Claims (36)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数のプライから成り、縦軸に沿って剛
    性を有する、軸方向に伸張する複合部材であって、 第１ファイバ成分及びマトリックス材料から成る少なく
    とも１つの内プライであって、前記複合部材の曲げ剛性
    の第１フラクションを提供し、かつ、衝撃耐性を提供す
    るような構造を有する内プライと、 第２ファイバ成分及び前記マトリックス材料からなる少
    なくとも１つの中間プライであって、前記内プライの外
    側に位置し、前記曲げ剛性の第２フラクションを提供
    し、かつ、荷重支持剛性を提供するような構造を有する
    中間プライと、 第３ファイバ成分及び前記マトリックス材料からなる少
    なくとも１つの外プライであって、前記中間プライの外
    側に位置し、前記曲げ剛性の第３フラクションを提供
    し、かつ、耐摩耗性を提供するような構造を有する外プ
    ライと、から構成され、 前記第２フラクションが、前記第１フラクション及び第
    ３フラクションよりも大きい、ことを特徴とする複合部
    材。
  2. 【請求項２】 前記第３フラクションが、前記第１フラ
    クションよりも小さい、ことを特徴とする請求項１記載
    の複合部材。
  3. 【請求項３】 前記第１フラクションが３５％未満であ
    る、ことを特徴とする請求項１記載の複合部材。
  4. 【請求項４】 前記第２フラクションが少なくとも５０
    ％である、ことを特徴とする請求項１記載の複合部材。
  5. 【請求項５】 前記第３フラクションが１５％未満であ
    る、ことを特徴とする請求項１記載の複合部材。
  6. 【請求項６】 少なくとも１つのステッチングファイバ
    が、自身及び前記ファイバ成分の少なくとも１つと編み
    合わされている、ことを特徴とする請求項１記載の複合
    部材。
  7. 【請求項７】 前記プライのうちの少なくとも１つが、
    さらに２つのファイバ成分を含み、そのうちの一方のフ
    ァイバ成分が時計回りのらせん配向を有し、もう一方の
    ファイバ成分が反時計回りのらせん配向を有する、こと
    を特徴とする請求項１記載の複合部材。
  8. 【請求項８】 前記らせん配向を有するファイバ成分の
    うちの少なくとも１つが、前記プライのファイバ成分と
    編み合わされている、ことを特徴とする請求項７記載の
    複合部材。
  9. 【請求項９】 前記らせん配向を有するファイバ成分の
    各々が、複合部材の縦軸に対して様々な角度を有し、前
    記様々な角度が複合部材の曲げ剛性を調節するよう設定
    されている、ことを特徴とする請求項７記載の複合部
    材。
  10. 【請求項１０】 前記プライのうちの少なくとも１つ
    が、二軸状に編み込まれたプライであり、前記二軸状に
    編み込まれたプライが、時計回りのらせん配向を有する
    ファイバ成分と反時計回りのらせん配向を有するファイ
    バ成分とから成る、ことを特徴とする請求項１記載の複
    合部材。
  11. 【請求項１１】 前記時計回りのらせん配向を有するフ
    ァイバ成分が、前記反時計回りの配向を有するファイバ
    成分と編み合わされている、ことを特徴とする請求項１
    ０記載の複合部材。
  12. 【請求項１２】 前記プライのうちの少なくとも１つ
    が、三軸状に編み込まれたプライであり、前記三軸状に
    編み込まれたプライが、前記縦軸に対して第１のらせん
    配向を有する軸方向に伸張するファイバ成分と、前記第
    １らせん配向に対して時計回りの配向を有するらせん配
    向を有する第１ファイバ成分と、前記第１らせん配向に
    対して反時計回りの配向を有するらせん配向を有する第
    二ファイバ成分と、から成る、ことを特徴とする請求項
    １記載の複合部材。
  13. 【請求項１３】 第４ファイバ成分と前記マトリックス
    材料から成り、前記外プライの外側に位置する第４プラ
    イであって、前記第４プライが、前記曲げ剛性の第４フ
    ラクションを提供し、かつ、美的外観を提供する、こと
    を特徴とする請求項１記載の複合部材。
  14. 【請求項１４】 前記第４フラクションが、前記第１、
    第２及び第３フラクションの何れよりも小さい、ことを
    特徴とする請求項１３記載の複合部材。
  15. 【請求項１５】 前記第４フラクションが１０％未満で
    ある、ことを特徴とする請求項１３記載の複合部材。
  16. 【請求項１６】 前記中間プライが第１、第２及び第３
    サブプライから成り、前記第２サブプライが前記第１及
    び第３サブプライの間に位置し、前記第１サブプライが
    前記縦軸に対して時計回りのらせん配向を有するらせん
    配向を有する第１ファイバ成分を含み、前記第２サブプ
    ライが軸方向に伸張するファイバ成分を含み、前記第３
    サブプライが前記縦軸に対して反時計回りのらせん配向
    を有する第２ファイバ成分を含む、ことを特徴とする請
    求項１記載の複合部材。
  17. 【請求項１７】 前記中間プライが、周囲に巻き付けら
    れたファイバ成分を少なくとも１つ含むサブプライを少
    なくとも１つ含み、前記サブプライが前記内プライの内
    側で発生した応力に耐えるように構成されている、こと
    を特徴とする請求項１記載の複合部材。
  18. 【請求項１８】 前記周囲に巻き付けられたファイバ成
    分が、複合部材の縦軸に対して８０度以上の角度のらせ
    ん配向を有する、ことを特徴とする請求項１７記載の複
    合部材。
  19. 【請求項１９】 前記周囲に巻き付けられたファイバ成
    分が、前記複合部材の長さに沿って前記複合部材の縦軸
    に対して様々な角度のらせん配向を有し、前記角度が前
    記複合部材の少なくとも一方の末端で大きくなってお
    り、前記末端の構造を補強している、ことを特徴とする
    請求項１７記載の複合部材。
  20. 【請求項２０】 少なくとも１つのプライを有する軸方
    向に伸張する複合部材であり、前記少なくとも１つのプ
    ライが、 前記複合部材の軸に対して時計回りのらせん配向を有す
    る第１引張ファイバ成分であって、前記複合部材の長さ
    に沿って様々に変化し得る第１角度と、第１引張モジュ
    ラスを有する第１引張ファイバ成分と、 前記軸に対して反時計回りのらせん配向を有する第２引
    張ファイバ成分であって、前記第１引張ファイバ成分と
    第２引張ファイバ成分の角度が前記複合部材の長さに沿
    ってほぼ等しく、前記第１引張モジュラスとほぼ等しい
    第２引張モジュラスを有する第２引張ファイバ成分と、 前記複合部材の軸に対して時計回りのらせん配向を有す
    る第３引張ファイバ成分であって、前記複合部材の長さ
    に沿って様々に変化し得る第２角度と、前記第１引張モ
    ジュラスとは異なる第３引張モジュラスを有する第３引
    張ファイバ成分と、 前記軸に対して反時計回りのらせん配向を有する第４引
    張ファイバ成分であって、前記第３引張ファイバ成分と
    第４引張ファイバ成分の角度が前記複合部材の長さに沿
    ってほぼ等しく、前記第３引張モジュラスとほぼ等しい
    第４引張モジュラスを有する第４引張ファイバ成分と、 から構成される、ことを特徴とする複合部材。
  21. 【請求項２１】 前記第１、第２、第３及び第４引張フ
    ァイバ成分の断面積の合計が、前記複合部材の長さに沿
    ってほぼ同一である、ことを特徴とする請求項２０記載
    の複合部材。
  22. 【請求項２２】 前記複合部材が、前記引張ファイバ成
    分をまとめるためのマトリックス材料を更に含み、前記
    引張ファイバ成分が前記マトリックス材料に埋め込まれ
    ており、前記引張ファイバ成分の長さ当たりの体積と、
    前記引っ張りファイバ成分及び前記マトリックス材料の
    組合せの長さ当たりの体積との比率が、ほぼ一定になる
    ように前記引張ファイバ成分と前記マトリックス材料と
    が配置されている、ことを特徴とする請求項２０記載の
    複合部材。
  23. 【請求項２３】 前記複合部材が、時計回りのらせん配
    向を有する第１編み込みヤーン成分と、反時計回りのら
    せん配向を有する第２編み込みヤーン成分とを更に含
    み、前記第１及び第２ヤーン成分が前記引張ファイバ成
    分のうちの少なくとも１つと編み合わされている、こと
    を特徴とする請求項２０記載の複合部材。
  24. 【請求項２４】 軸方向に伸張し、前記軸に沿って曲げ
    剛性を有する複合部材の製造方法であって、 （Ａ）第１及び第２のファイバ成分から第１プライを形
    成するステップであって、前記第１ファイバ成分が前記
    複合部材の縦軸に対して時計回りのらせん配向を有し、
    前記第２ファイバ成分が前記軸に対して反時計回りのら
    せん配向を有し、前記複合部材の長さに沿って前記第１
    及び第２ファイバ成分を変更可能な第１角度で配置し、
    前記第１及び第２ファイバ成分が第１引張モジュラスを
    有するように選択されるステップと、 （Ｂ）第３及び第４のファイバ成分から第２プライを形
    成するステップであって、前記第３ファイバ成分が前記
    軸に対して時計回りのらせん配向を有し、前記第４ファ
    イバ成分が前記軸に対して反時計回りのらせん配向を有
    し、前記複合部材の長さに沿って前記第３及び第４ファ
    イバ成分を変更可能な第２角度で配置し、前記第３及び
    第４ファイバ成分が第１引張モジュラスとは異なる第２
    引張モジュラスを有するように選択されるステップと、
    から成る複合部材の製造方法。
  25. 【請求項２５】 前記第１プライの断面積と前記第２プ
    ライの断面積との組合せが、前記複合部材の長さに沿っ
    てほぼ一定であるように、前記第１及び第２プライを配
    置するステップ、を更に含む、ことを特徴とする請求項
    ２４記載の複合部材の製造方法。
  26. 【請求項２６】 前記変更可能な第１角度及び第２角度
    を、前記複合部材の長さに沿った少なくとも１カ所にお
    いて変更し、前記複合部材の剛性を前記箇所において変
    化させるステップ、を更に含む、ことを特徴とする請求
    項２４記載の複合部材の製造方法。
  27. 【請求項２７】 前記第１及び第２プライを形成するス
    テップが、前記ファイバ成分を所定のマトリックス引張
    モジュラスを有するマトリックス材料に埋め込むことで
    前記ファイバ成分をまとめるステップを含み、さらに、
    複合部材が長さに沿ってほぼ同一の断面積を有するよう
    に前記ファイバ成分と前記マトリックスとの組合せを配
    置するステップを含む、ことを特徴とする請求項２４記
    載の複合部材の製造方法。
  28. 【請求項２８】 前記第１及び第２プライを形成するス
    テップが、前記ファイバ成分を所定のマトリックス引張
    モジュラスを有するマトリックス材料に埋め込むことで
    前記ファイバ成分をまとめるステップを含み、さらに、
    前記複合部材の長さに沿って前記複合部材の断面積をほ
    ぼ一定に維持しつつ、前記複合部材の長さに沿った少な
    くとも１カ所において前記複合部材の曲げ剛性を変更す
    るステップを含み、前記断面積を維持しつつ曲げ剛性変
    更するステップにおいて、前記複合部材の長さに沿った
    少なくとも１カ所において前記複合部材の性質のうちの
    （ｉ）前記マトリックス材料の長さ当たりの体積と、前
    記ファイバ成分及び前記マトリックス材料の組合せの長
    さ当たりの体積との比率として定義される、マトリック
    ス体積フラクション、（ｉｉ）前記第１引張モジュラ
    ス、（ｉｉｉ）前記第２引張モジュラス、（ｉｖ）前記
    ファイバ成分の単位長さ当たりの体積と、前記ファイバ
    成分及び前記マトリックス材料の組合せの単位長さ当た
    りの体積との比率として定義される、ファイバ体積フラ
    クション、（ｖ）前記変更可能な第１角度、（ｖｉ）前
    記変更可能な第２角度、のうちの少なくとも１つを変更
    する、ことを特徴とする請求項２４記載の複合部材の製
    造方法。
  29. 【請求項２９】 前記第１及び第２プライを形成するス
    テップが、前記ファイバ成分を所定のマトリックス引張
    モジュラスを有するマトリックス材料で埋め込むことで
    前記ファイバ成分をまとめるステップを含み、さらに、 （Ａ）前記複合部材の以下に記す性質のうちの少なくと
    も１つを選択することによって曲げ剛性Ｅcompositeを
    選択し、前記性質が、（ｉ）第一引張モジュラス、
    Ｅf1、（ｉｉ）第２引張モジュラス、Ｅf2、（ｉｉｉ）
    第１及び第２ファイバ成分の単位長さ当たりの体積と、
    第１及び第２ファイバ成分及びマトリックス成分の単位
    長さ当たりの体積との比率として定義される、前記第１
    プライの第１体積フラクション、Ｖf1、（ｉｖ）第３及
    び第４ファイバ成分の単位長さ当たりの体積と、第３及
    び第４ファイバ成分及びマトリックス成分の単位長さ当
    たりの体積との比率として定義される、前記第２プライ
    の第２体積フラクション、Ｖf2、（ｖ）変更可能な所定
    の第１角度、α1、（ｖｉ）変更可能な所定の第２角
    度、α2、（ｖｉｉ）マトリックスの引張モジュラス、
    ＥR、（ｖｉｉｉ）マトリックス体積フラクション、
    ＶR、の中から選択されるステップと、 （Ｂ）前記複合部材の性質のうち選択された性質を、 Ｅcomposite＝（Ｅf1）（Ｖf1）ｃｏｓ4α１＋（Ｅf2）
    （Ｖf2）ｃｏｓ4α２＋（ＥR）（ＶR） の式に従って調節することで、前記選択された曲げ剛性
    Ｅcompositeを実現するステップと、を含むことを特徴
    とする請求項２４記載の複合部材の製造方法。
  30. 【請求項３０】 請求項２４記載の軸方向に伸張する複
    合部材を製造する方法であって、 （Ａ）前記第１プライを形成するステップが（ｉ）第１
    引張モジュラスを有し、前記第１軸に対して時計回りの
    らせん配向を有する第１ファイバ成分をマンドレルの周
    囲に配置するステップであって、前記第１ファイバ成分
    を配置するステップが、前記第１ファイバ成分を前記複
    合部材の前記第１軸に対して変更可能な第１角度で前記
    第１軸に沿って配置するステップと、（ｉｉ）第１引張
    モジュラスを有し、前記第１軸に対して反時計回りのら
    せん配向を有する第２ファイバ成分をマンドレルの周囲
    に配置するステップであって、前記第２ファイバ成分を
    配置するステップが、前記第２ファイバ成分を前記複合
    部材の前記第１軸に対して変更可能な第１角度で前記第
    １軸に沿って配置するステップと、から成り、 （Ｂ）前記第２プライを形成するステップが、（ｉ）第
    ２引張モジュラスを有し、前記第１軸に対して時計回り
    のらせん配向を有する第３ファイバ成分をマンドレルの
    周囲に配置するステップであって、前記第３ファイバ成
    分を配置するステップが、前記第３ファイバ成分を前記
    複合部材の前記第１軸に対して変更可能な第２角度で前
    記第１軸に沿って配置するステップと、（ｉｉ）第２引
    張モジュラスを有し、前記第１軸に対して反時計回りの
    らせん配向を有する第４ファイバ成分をマンドレルの周
    囲に配置するステップであって、前記第４ファイバ成分
    を配置するステップが、前記第４ファイバ成分を前記複
    合部材の前記第１軸に対して変更可能な第２角度で前記
    第１軸に沿って配置するステップと、から成る、ことを
    特徴とする請求項２４記載の複合部材の製造方法。
  31. 【請求項３１】 軸方向に伸張し、複数のプライから構
    成され、縦軸に沿って曲げ剛性を有する複合部材の製造
    方法であって、 第１ファイバ成分を有し、前記複合部材の曲げ剛性の第
    １フラクションを提供する内プライを、マンドレルの外
    側に少なくとも１つ形成するステップと、 第２ファイバ成分を有し、前記複合部材の曲げ剛性の第
    ２フラクションを提供する中間プライを、前記内プライ
    の外側に少なくとも１つ形成するステップと、 第３ファイバ成分を有し、前記複合部材の曲げ剛性の第
    ３フラクションを提供する外プライを、前記中間プライ
    の外側に少なくとも１つ形成するステップと、から成
    る、 ことを特徴とする複合部材の製造方法。
  32. 【請求項３２】 前記引張ファイバ成分の少なくとも１
    つを、時計回りのらせん配向を有するヤーン成分及び反
    時計回りのらせん配向を有するヤーン成分と編み合わせ
    るステップを更に含む、ことを特徴とする請求項３１記
    載の複合部材の製造方法。
  33. 【請求項３３】 前記中間プライを形成するステップ
    が、周囲に巻き付けられた構造を有するサブプライを形
    成するステップを含み、前記サブプライが前記軸に対し
    てらせん状に巻き付けられているらせんファイバ成分を
    少なくとも１つ含む、ことを特徴とする請求項３１記載
    の複合部材の製造方法。
  34. 【請求項３４】 前記らせんファイバ成分を、８０度以
    上のらせん角度でらせん状に巻き付けるステップを含
    む、ことを特徴とする請求項３３記載の複合部材の製造
    方法。
  35. 【請求項３５】 前記らせんファイバ成分を、前記複合
    部材の長さに沿って様々な角度で配置させる、ことを特
    徴とする請求項３３記載の複合部材の製造方法。
  36. 【請求項３６】 前記らせんファイバ成分を、前記複合
    部材の少なくとも一端において大きならせん角度で配置
    することによって、前記一端における応力に対する耐性
    を高めるステップを含む、ことを特徴とする請求項３５
    記載の複合部材の製造方法。
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