インサート付先進グリッド構造体
【課題】高い引き抜き強度を持つインサート構造を備える、低熱膨張特性を有する先進グリッド構造体を提供する。
【解決手段】インサート付先進グリッド構造体は、それぞれ第一のテーププリプレグ群、第二のテーププリプレグ群および第三のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群のそれぞれ一辺を構成する第１のグリッドサイド群、第二のグリッドサイド群、および第三のグリッドサイド群の中で、第二のグリッドサイド群と第三のグリッドサイド群とが交差する領域の中心点と当該交差する領域に最近接の第二のグリッドサイド群と第三のグリッドサイド群とが交差する領域の中心点との間隔でグリッドサイド幅を除算して得られる構造比が所定の範囲内であるとともに、３つのグリッドサイド群によって囲まれたインサート部材が炭素繊維強化プラスチック構造であることにより、熱膨張係数が−０．９ｐｐｍ／Ｋ以上且つ０．９ｐｐｍ／Ｋ以下である。
【解決手段】インサート付先進グリッド構造体は、それぞれ第一のテーププリプレグ群、第二のテーププリプレグ群および第三のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群のそれぞれ一辺を構成する第１のグリッドサイド群、第二のグリッドサイド群、および第三のグリッドサイド群の中で、第二のグリッドサイド群と第三のグリッドサイド群とが交差する領域の中心点と当該交差する領域に最近接の第二のグリッドサイド群と第三のグリッドサイド群とが交差する領域の中心点との間隔でグリッドサイド幅を除算して得られる構造比が所定の範囲内であるとともに、３つのグリッドサイド群によって囲まれたインサート部材が炭素繊維強化プラスチック構造であることにより、熱膨張係数が−０．９ｐｐｍ／Ｋ以上且つ０．９ｐｐｍ／Ｋ以下である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、金属よりも軽量で熱膨張係数の低い航空宇宙用の材料である炭素繊維強化プラスチックを用いる低熱膨張特性を備える、結合インサートを備える先進グリッド構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球上の高解像度画像の需要の高まりに伴い、光学機器を搭載した小型衛星を低高度地球周回軌道に多数配備する計画が成されており、光学機器を搭載した小型衛星の開発が重要視されている。このような衛星には光学機器の観測精度を低下させないために熱的寸法安定性を備えた衛星構造体が要求される。
従来のアルミニウムを材質とする金属製の衛星構造体よりも、熱的寸法安定性に優れた衛星構造体として、炭素繊維強化プラスチックを材質とする衛星構造体が提案されている。その１つとして、複合３角形格子を有する衛星構造体があり、この複合三角形格子の衛星構造体は、炭素繊維強化プラスチックから構成される正三角形の格子群と、正三角形の節点に設けられた金属製のインサートとを複合することにより構成されている。
正三角形の格子群は、予め正三角形の節点位置に円筒形状の金属製のインサートを設置し、樹脂を含侵した炭素繊維の糸を、正三角形の格子群を形成するようにインサートに巻き付けていき、加圧下で加熱して成形する、いわゆるフィラメントワインディング成形法により形成されている。
また、金属製のインサートは、正三角形の格子群を加圧下で加熱して成形する際に、樹脂の硬化により正三角形の格子群と一体化された構成となっている。金属製のインサートは、円筒形状になっており、搭載機器の結合部とピンを用いて結合することができる。このようにして、搭載機器や他の構造体と結合するためのインサート構造を持った低熱膨張な構造体を実現している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４１３７３５４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述のインサート構造を持った低熱膨張な構造体は、正三角形の格子群の正三角形の節点位置に予め設置した金属製のインサートに樹脂を含侵した糸を巻きつけ、加圧下で加熱して成形しているため、インサートの引き抜き強度は樹脂の硬化による接着強度であり、４０ＭＰａ程度の低い引張強度となってしまう。
また、上述のインサート構造を持った低熱膨張な構造体では、炭素繊維強化プラスチックから構成される構造体の熱膨張係数が−３．０ｐｐｍ／Ｋから３．０ｐｐｍ／Ｋ程度であるのに対して、アルミニウムやチタンのような金属から構成されるインサートの熱膨張係数が１０．０ｐｐｍ／Ｋから２３．０ｐｐｍ／Ｋであるため、構造体を加圧下で加熱して成形した後に成形温度から冷却する過程で、構造体とインサートとの間の熱膨張係数の差に起因する熱応力差により、インサートの引き抜き強度が低下してしまう。
【０００５】
この発明の目的は、高い引き抜き強度を持つインサート構造を備える、低熱膨張特性を有する先進グリッド構造体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るインサート付先進グリッド構造体は、第一の方向に等間隔に並べられた炭素繊維が長尺方向に配向された第一のテーププリプレグ群、上記第一の方向に対して反時計方向に６０度傾斜した第二の方向に等間隔に並べられた炭素繊維が長尺方向に配向された第二のテーププリプレグ群、および上記第一の方向に対して時計方向に６０度傾斜した第三の方向に等間隔に並べられた炭素繊維が長尺方向に配向された第三のテーププリプレグ群が、互いに２つのテーププリプレグ群が重なり且つ３つのテーププリプレグ群が同じ位置で重ならないようにそれぞれ順に積層されるとともに、上記第一のテーププリプレグ、上記第二のテーププリプレグおよび上記第三のテーププリプレグから構成される正三角形領域からテーププリプレグの交差領域を除いた集合領域の形状で、上記第一の方向に炭素繊維が一方向に配向された第一のプリプレグシート群、上記第一の方向に対して反時計方向に６０度傾斜した第二の方向に炭素繊維が一方向に配向された第二のプリプレグシート群、および上記第一の方向に対して時計方向に６０度傾斜した第三の方向に炭素繊維が一方向に配向された第三のプリプレグシート群が上記集合領域にそれぞれ順に積層されて加圧下で加熱されることにより成形され、且つ３つのグリッドサイド群によって囲まれたインサート部材に穴加工されたインサート付先進グリッド構造体において、上記第一のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第一のグリッドサイド群、上記第二のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第二のグリッドサイド群、および上記第三のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第三のグリッドサイド群の中で、上記第二のグリッドサイド群と上記第三のグリッドサイド群とが交差する領域の中心点と当該交差する領域に最近接の上記第二のグリッドサイド群と上記第三のグリッドサイド群とが交差する領域の中心点との間隔でグリッドサイド幅を除算して得られる構造比が所定の範囲内であるとともに、３つのグリッドサイド群によって囲まれた上記インサート部材が炭素繊維強化プラスチック構造であることにより、熱膨張係数が−０．９ｐｐｍ／Ｋ以上且つ０．９ｐｐｍ／Ｋ以下である。
【発明の効果】
【０００７】
この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体は、炭素繊維が一方向に配向されるグリッドサイドを等間隔に並べる３つのグリッドサイド群を有し、３つのグリッドサイド群のうちの第一のグリッドサイド群を基準に残りの第二のグリッドサイド群と第三のグリッドサイド群がそれぞれ時計方向と反時計方向に６０度傾斜して交わるため、グリッドサイド群の交差しない部分である炭素繊維が一方向にだけ積層された部分と、グリッドサイド群が交差する交差領域部分とから構成され、グリッドサイド群の交差しない部分である炭素繊維が一方向にだけ積層された部分とグリッドサイド群が交差する交差領域部分との割合を構造比で調整することによって低熱膨張特性を有する先進グリッド構造体において、三つのグリッドサイド群が互いに交差する領域が互いに近傍に存在することで、３つのグリッドサイド群から構成される正三角形グリッド群が、炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造に近い特性を有する構造となるため、その正三角形グリッド群に、炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造のインサートを一部埋め込んで一体成形することで、高い引き抜き強度且つ低残留熱応力特性を持つインサート構造且つ低熱膨張特性を有するという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
以下の説明において用いる語彙について説明する。「グリッドサイド」とは、後で詳細に説明するが先進グリッド構造体に含まれる正三角形グリッドおよび六角形グリッドの辺を構成するものを意味する。「テーププリプレグ」とは、まとめられた複数本の炭素繊維に樹脂を含浸させて作製された半硬化状態のテープ状のものである。
【０００９】
図１は、この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体において、先進グリッド構造体を製造するためのテーププリプレグの平面図である。
この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体の製造方法について説明する。先に先進グリッド構造体の製造方法を説明し、その後にインサート構造の製造方法について説明する。
東レ株式会社製トレカ（登録商標）糸Ｔ８００ＨＢとエポキシ樹脂原料を用いて、長尺方向に炭素繊維が配向された帯状のテーププリプレグを用意する。
そして、図１（ａ）に示すような炭素繊維が基準辺１３に平行に配向された０度方向炭素繊維テーププリプレグ１４、図１（ｂ）に示すような炭素繊維が基準辺１５に対して反時計方向に６０度傾斜するように配向された＋６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１６、図１（ｃ）に示すような炭素繊維が基準辺１７に対して時計方向に６０度傾斜するように配向された−６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１８を、順に複数回にわたって積層しテーププリプレグの積層体を製造する。
【００１０】
テーププリプレグの積層体は、図２（ａ）に示すような０度方向炭素繊維テーププリプレグ１４、＋６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１６、および−６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１８によって形成された正三角形領域１９を有する。そして、正三角形領域１９には、第一の交差領域８、第二の交差領域９、第三の交差領域１０、および第一の交差領域８、第二の交差領域９および第三の交差領域１０を除いた集合領域２０を有する。図２（ａ）の斜線でハッチングされた集合領域２０には、正三角形グリッドに重なる３つの台形領域と３つの台形領域の上辺に３辺が連なる正三角形領域を有する。
【００１１】
図２は、この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体において、インサート構造を製造するためのプリプレグの平面図である。
東レ株式会社製トレカ（登録商標）糸Ｔ８００ＨＢとエポキシ樹脂原料を用いて、集合領域２０の正三角形領域の各辺に平行な方向に炭素繊維が配向された集合領域２０の形状と外形が同じプリプレグを用意する。
そして、テーププリプレグの積層体の集合領域に重なるように、図２（ｂ）に示すような炭素繊維が基準辺２１に平行に配向された０度方向炭素繊維プリプレグ２２、図２（ｃ）に示すような炭素繊維が基準辺２３に対して反時計方向に６０度傾斜するように配向された＋６０度方向炭素繊維プリプレグ２４、図２（ｄ）に示すような炭素繊維が基準辺２５に対して時計方向に６０度傾斜するように配向された−６０度方向炭素繊維プリプレグ２６を順に、０度方向炭素繊維テーププリプレグ１４、＋６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１６、および−６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１８の積層によって形成された集合領域２０に、３つのテーププリプレグの積層と交互に複数回にわたって積層する。
【００１２】
ただし、０度方向炭素繊維プリプレグ２２、＋６０度方向炭素繊維プリプレグ２４、および−６０度方向炭素繊維プリプレグ２６の積層数の最大値は、０度方向炭素繊維テーププリプレグ１４、＋６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１６、および−６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１８の積層数であり、重量の観点から、許容設計強度を満たす範囲内で可能な限り積層数を少なくすることが望ましい。
【００１３】
次に、積層したプリプレグを加圧下で加熱して成形する方法について説明する。
図３は、この発明の実施の形態１に係る先進グリッド構造体にインサート構造を形成する様子を説明するための図である。図３は、テーププリプレグにプリプレグを積層した後での図２（ａ）のＡ−Ａ断面と同じ断面での断面図である。
成形板２８上に所定の枚数のテーププリプレグを積層する。そして、正三角形領域１９のうちテーププリプレグが積層された領域以外の領域の形状を断面とする三角柱のシリコーンゴム２７をテーププリプレグが積層された領域以外の領域に挿入する。
次に、０度方向炭素繊維プリプレグ２２をテーププリプレグが積層された上に積層する。次に、その上にテーププリプレグを積層し、その上に、＋６０度方向炭素繊維プリプレグ２４を積層する。さらに、その上にテーププリプレグを積層し、その上に、−６０度方向炭素繊維プリプレグ２６を積層する。次に、その上にテーププリプレグを積層し、最も上に成形板２８を載せる。なお、図３（ａ）では０度方向炭素繊維プリプレグ２２、＋６０度方向炭素繊維プリプレグ２４、および−６０度方向炭素繊維プリプレグ２６の積層数は１ずつであるが、複数の積層数であっても良く、その場合、上述のような積層を繰り返せば良い。
【００１４】
次に、このように上下から成形板２８で挟み込まれた積層体を、加圧下で加熱してインサート付先進グリッド構造体を成形する。このとき、成形時の温度は１８０度とし、成形圧力は３００ｋＰａとした。
このように加圧下で加熱すると、図３（ｂ）に示すように、プリプレグは成形圧力とシリコーンゴム２７の膨張により加圧され、図３（ｃ）のように熱硬化成形された。
【００１５】
なお、０度方向炭素繊維テーププリプレグ１４が複数並べられたものを第一のテーププリプレグ群、＋６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１６が複数並べられたものを第二のテーププリプレグ群、−６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１８が複数並べられたものを第三のテーププリプレグ群と称す。
また、０度方向炭素繊維プリプレグ２２が複数並べられたものを第一のプリプレグ群、＋６０度方向炭素繊維プリプレグ２４が複数並べられたものを第二のプリプレグ群、−６０度方向炭素繊維プリプレグ２６が複数並べられたものを第三のプリプレグ群と称す。
【００１６】
このとき、第一のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第一のグリッドサイド群、第二のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第二のグリッドサイド群、および第三のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第三のグリッドサイド群の中で、第一のグリッドサイド群、第二のグリッドサイド群、および第三のグリッドサイド群が互いに交差する領域が互いに近傍に存在することで、３つのグリッドサイド群から構成される正三角形グリッド群が、炭素繊維を擬似等方積層した炭素繊維強化プラスチック構造に近い特性を有することを発見し、その正三角形グリッド群に、炭素繊維を擬似等方積層した炭素繊維強化プラスチック構造のインサートを一部埋め込んで一体成形することで高い引き抜き強度を持つインサート構造を有し、且つ低熱膨張特性を有する先進グリッド構造と同等の低熱膨張特性を有する構造とした。
【００１７】
図４は、この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体の正面図である。
この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体は、炭素繊維に樹脂を含侵させた後に半硬化させて作ったプリプレグを使用し、長尺方向に向くように炭素繊維を配向させて繊維強化されたエポキシ樹脂のプリプレグからなる帯状のテーププリプレグおよびテーププリプレグの交差領域付近に炭素繊維を配向させて繊維強化されたエポキシ樹脂のプリプレグを積層し、加圧下で加熱することにより成形したトラス構造である。炭素繊維としては、高強度系であり、引張弾性率が２５０ＧＰa以上且つ３５０ＧＰa以下の東レ株式会社製トレカ（登録商標）糸Ｔ８００ＨＢを用いている。
【００１８】
この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体は、図４の図面上では長さ方向が紙面の上下方向に向き、長さ方向に直交する第一の方向に等間隔に並列に並べられた複数のグリッドサイド（以下、「０度方向グリッドサイド」と称す）１、０度方向グリッドサイド１に対して反時計方向に６０度傾斜して交わるとともに等間隔に並列に並べられた複数のグリッドサイド（以下、「＋６０度方向グリッドサイド」と称す）２、０度方向グリッドサイド１に対して時計方向に６０度傾斜して交わるとともに等間隔に並列に並べられた複数のグリッドサイド（以下、「−６０度方向グリッドサイド」と称す）３を備える。
なお、複数の０度方向グリッドサイド１を第一のグリッドサイド群、複数の＋６０度方向グリッドサイド２を第二のグリッドサイド群、複数の−６０度方向グリッドサイド３を第三のグリッドサイド群と称す。
【００１９】
この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体では、０度方向グリッドサイド１、＋６０度方向グリッドサイド２、−６０度方向グリッドサイド３により正三角形状のグリッド４および六角形状のグリッド５が形成されている。
この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体では、炭素繊維が０度方向、＋６０度方向、−６０度方向に配向積層された擬似等方積層構造であるインサート部材６が、正三角形のグリッド４に一部埋め込み一体成形されている。また、インサート部材６はインサート穴７を有している。
【００２０】
図５は、この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体の１つのインサート部材６を含む拡大図である。図５（ａ）に示される拡大図は、機器および他の構造体との結合面側の図である。図５（ｂ）に示される拡大図は、機器および他の構造体との結合面と反対側の図である。
０度方向グリッドサイド１は、図５に示すように、それぞれ＋６０度方向グリッドサイド２および−６０度方向グリッドサイド３に第一の交差領域８と第二の交差領域９とで交わっている。＋６０度方向グリッドサイド２は、−６０度方向グリッドサイド３と第三の交差領域１０で交わっている。これらの交差領域８、９、１０が互いに近傍に存在することで、正三角形のグリッド４が炭素繊維を擬似等方に積層した構造に近い特性を持つことを発見した。なお、第三の交差領域１０は菱形であり、菱形２本の対角線が交わる中心点を節点１２と称す。また、交差領域８、９間の距離１１の最大値は、節点１２間の距離の半値である。
【００２１】
インサート穴７を備えた炭素繊維を擬似等方に積層した構造であるインサート部材６が、０度方向グリッドサイド１、＋６０度方向グリッドサイド２、および−６０度方向グリッドサイド３に一部埋め込まれて、正三角形のグリッド４に一体成形されている。このとき、インサート部材６と正三角形のグリッド４との界面を横切るように、炭素繊維が連続的に存在しているため、このインサート構造は高い引き抜き強度を持っている。また、インサート部材６と正三角形のグリッド４とは、ほぼ同等の熱膨張係数を持つことから、成形時の熱応力差により、引き抜き強度が低下することもない。
【００２２】
図６は、この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体の正三角形状のグリッド４と六角形状のグリッド５を含む拡大図である。
ここで、正三角形形状のグリッド４と六角形状のグリッド５を有するインサート付先進グリッド構造体の構造を表す２つの因子を導入し、因子と正三角形状のグリッド４の熱膨張係数、および因子とインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数との関係を求める。
導入する一つの因子は、グリッドサイドの幅Ｗを節点１２間の距離Ｌで除算して得られる商であり、構造比と称す。
また、導入するもう一つの因子は、グリッドサイドが交差する交差領域間の距離ａである。ただし、このときの距離ａは０以上且つＬ／２以下である。
【００２３】
図７は、正三角形状のグリッドおよびインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数の測定装置を示す断面図である。
次に、正三角形状のグリッドおよびインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数の計測について説明する。
正三角形状のグリッド４およびインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数の計測では、まず、測定サンプル２９であるインサート付先進グリッド構造体をサンプル支持台３０の上に載せ、恒温槽３１内に固定する。
次に、恒温槽３１内の温度をコントロールして測定サンプル２９の温度を変化させつつ、測定サンプル２９の両端部および正三角形状のグリッド部に接着したレーザ反射鏡３２にレーザフォーカス変位計３３からレーザを照射し、反射光を受光して、加熱による測定サンプル２９の変位量を測定し、熱膨張係数を算出する。
【００２４】
この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体のグリッドサイドが交差する交差領域間の距離ａは２７ｍｍである。また、節点１２間の距離Ｌは１０５ｍｍであり、グリッドサイドの幅は１．６０ｍｍであるので、構造比は１．６０／１０５＝０．０１５である。このとき、計測した正三角形状のグリッドの熱膨張係数は１．６０ｐｐｍ／Ｋであり、炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造の熱膨張係数である０．９３ｐｐｍ／Ｋに近い値である。
さらに、計測したインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数はＸ軸方向に０．２０ｐｐｍ／Ｋであり、Ｙ軸方向に０．０ｐｐｍ／Ｋである。
次に、グリッドサイドが交差する交差領域間の距離ａを２７ｍｍとし、節点１２間の距離Ｌが異なるようにテーププリプレグを準備してインサート付先進グリッド構造体を製造した。このとき、構造比は１．６０／１０５＝０．０１５、１．６０／５２．５＝０．０３０、１．６０／２６．２５＝０．０６０であった。このインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数を図７に示すようにして計測した。
【００２５】
図８は、構造比を横軸にして、熱膨張係数を表したグラフである。
次に、インサート付先進グリッド構造体が、衛星構体として低熱膨張であると考えられる範囲を規定する。一般に炭素繊維には高強度系の炭素繊維と高弾性系の炭素繊維が存在するが、高弾性系の炭素繊維を使用して、従来の炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造を作製すると熱膨張係数を零近傍にすることが可能である。これは、炭素繊維強化プラスチックが炭素繊維方向には負の熱膨張係数を有し、炭素繊維と直交方向には正の熱膨張係数を有するため、その組み合わせによって零近傍になる。
しかし、これが高強度系の炭素繊維になると、一般に炭素繊維の引張強度と引張弾性率とは反比例の関係を示すため、引張弾性率が低くなり、炭素繊維自身の熱膨張係数が零に近づく方向の値となり、炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造では、熱膨張係数を零近傍にすることはできない。
そこで、ここでは、現在最も高強度な炭素繊維である東レ株式会社製トレカ（登録商標）糸Ｔ１０００Ｇを用いた、従来の炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造では得ることのできない熱膨張係数を一つの判断基準とする。このとき、炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造の熱膨張係数は０．９３ｐｐｍ／Ｋであるため、インサート付先進グリッド構造体において低熱膨張である構体の範囲は、熱膨張係数が−０．９ｐｐｍ／Ｋ以上且つ０．９ｐｐｍ／Ｋ以下の構体である。
【００２６】
この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体は、炭素繊維が一方向に配向されるグリッドサイドを等間隔に並べる３つのグリッドサイド群を有し、３つのグリッドサイド群のうちの第一のグリッドサイド群を基準に残りの第二のグリッドサイド群と第三のグリッドサイド群がそれぞれ時計方向と反時計方向に６０度傾斜して交わるため、グリッドサイド群の交差しない部分である炭素繊維が一方向にだけ積層された部分と、グリッドサイド群が交差する交差領域部分との構造となる。
【００２７】
このとき、グリッドサイド群の交差しない部分である炭素繊維が一方向にだけ積層された部分とグリッドサイド群が交差する交差領域部分との割合を構造比で調整することによって低熱膨張特性を有する先進グリッド構造体において、三つのグリッドサイド群が互いに交差する領域が互いに近傍に存在することで、３つのグリッドサイド群から構成される正三角形グリッド群が、炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造に近い特性を有する構造となるため、その正三角形グリッド群に、炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造のインサートを一部埋め込んで一体成形することで、高い引き抜き強度且つ低残留熱応力特性を持つインサート構造且つ低熱膨張特性を有する。
【００２８】
図８は、交差領域間の距離が２７ｍｍであるときの、構造比に対する熱膨張係数を表したグラフである。
図８からも分かるように、引張弾性率が２８０ＧＰａ以上且つ３３０ＧＰａ以下の炭素繊維を用いて、構造比が０より大きく且つ０．０８９以下になるように、グリッドサイドの幅Ｗまたは節点９間の距離Ｌを調整すると、熱膨張係数が−０．９ｐｐｍ／Ｋ以上且つ０．９ｐｐｍ／Ｋ以下のインサート付先進グリッド構造体を得ることができる。
【００２９】
なお、この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体において、引張弾性率が２５０ＧＰａ以上且つ３５０ＧＰａ以下の東レ株式会社製トレカ（登録商標）糸Ｔ８００ＨＢの炭素繊維にエポキシ樹脂を含侵させた後に半硬化させて作ったプリプレグを用いているが、繊維はＴ８００ＨＢに限るものではない。
また、樹脂はエポキシ樹脂に限るものではなく、熱的機械的化学的特性が使用環境に耐えればいずれの樹脂であってもこの発明に適用することができる。
なお、この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体において、成形のときの温度を１８０度としたが、プリプレグが加圧下で加熱して成形できる温度であればよいので、８０度から２８０度の範囲で適宜設定できる。
また、成形のときの圧力を３００ｋＰａとしたが、プリプレグが加圧下で加熱して成形できる圧力であればよいので、１００ｋＰａから１０００ｋＰａの範囲で適宜設定できる。
【００３０】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体の製造方法について説明する。先に先進グリッド構造体の製造方法を説明し、その後にインサート構造の製造方法について説明する。
図１は、この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体において、先進グリッド構造体を製造するためのテーププリプレグの平面図である。
東レ株式会社製トレカ（登録商標）糸Ｔ８００ＨＢとエポキシ樹脂原料を用いて、長さ方向（図１（ａ）の紙面上の上下方向）に炭素繊維が配向された帯状のテーププリプレグを用意する。図１（ａ）に示すような炭素繊維が基準辺１３に平行に配向された０度方向炭素繊維テーププリプレグ１４、図３（ｂ）に示すような炭素繊維が基準辺１５に対して反時計方向に６０度傾斜するように配向された＋６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１６、図３（ｃ）に示すような炭素繊維が基準辺１７に対して時計方向に６０度傾斜するように配向された−６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１８を、順に複数回にわたって積層し、加圧下で加熱することにより先進グリッド構造体を製造する。
【００３１】
また、別途、日本グラファイトファイバー株式会社製ＧＲＡＮＯＣヤーン（登録商標）ＸＮ９０とエポキシ樹脂原料を用いて、正三角柱形状の成形型に、炭素繊維を０度方向、＋６０度方向、−６０度方向に擬似等方になるようにプリプレグを積層して加圧下で加熱することにより炭素繊維強化プラスチック構造のインサート部材３４を製造する。
【００３２】
図９は、この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体のインサート構造を製造するための拡大図である。図９（ａ）に示すような先進グリッド構造体の正三角形状のグリッド４の３つのグリッドサイドによって囲まれた空間に、図９（ｂ）に示すようなインサート部材３４を接着剤で接着する。なお、図９（ｂ）はインサート部材３４の機器および他の構造体との結合面側であり、図９（ｃ）はインサート部材３４の機器および他の構造体との結合面と反対側の面である。
【００３３】
なお、０度方向炭素繊維テーププリプレグ１４が複数並べられたものを第一のテーププリプレグ群、＋６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１６が複数並べられたものを第二のテーププリプレグ群、−６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１８が複数並べられたものを第三のテーププリプレグ群と称す。
このとき、第一のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第一のグリッドサイド群、第二のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第二のグリッドサイド群、および第三のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第三のグリッドサイド群の中で、第一のグリッドサイド群、第二のグリッドサイド群、および第三のグリッドサイド群が互いに交差する領域が互いに近傍に存在することで、３つのグリッドサイド群から構成される正三角形グリッド群が、炭素繊維を擬似等方積層した炭素繊維強化プラスチック構造に近い特性を有することを発見し、その正三角形グリッド群に、正三角形グリッドよりも低い熱膨張係数を持つ、炭素繊維を擬似等方積層した炭素繊維強化プラスチック構造のインサート部材３４を接着剤３６により接着することで高い引き抜き強度を持つインサート構造を有し、且つ低熱膨張特性を有する先進グリッド構造と同等の低熱膨張特性を有する構造とした。
【００３４】
図１０は、この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体の正面図である。
先進グリッド構造体の正三角形状のグリッド４の３つのグリッドサイドによって囲まれた空間に、インサート部材３４を挿入し、接着剤３６で接着する。先進グリッド構造体への接着後、インサート部材３４は穴加工されて、インサート穴３５を有する。このようにしてこの発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体が製造される。
この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体は、炭素繊維に樹脂を含侵させた後に半硬化させて作ったプリプレグを使用し、長尺方向に向くように炭素繊維を配向させて繊維強化されたエポキシ樹脂のプリプレグからなる帯状のテーププリプレグを積層し、加圧下で加熱することにより成形したトラス構造の節点に、炭素繊維を配向させて繊維強化されたエポキシ樹脂のプリプレグを加圧下で加熱することにより成形したインサート構造を接着した構造である。炭素繊維としては、テーププリプレグには引張弾性率が２５０ＧＰa以上且つ３５０ＧＰa以下の東レ株式会社製トレカ（登録商標）糸Ｔ８００ＨＢを用い、プリプレグには引張弾性率８１０ＧＰa以上且つ９１０ＧＰa以下の日本グラファイトファイバー株式会社製ＧＲＡＮＯＣヤーン（登録商標）ＸＮ−９０を用いている。
【００３５】
この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体は、図１０の図面上では長さ方向が紙面の上下方向に向き、長さ方向に直交する第一の方向に等間隔に並列に並べられた複数のグリッドサイド（以下、「０度方向グリッドサイド」と称す）１、０度方向グリッドサイド１に対して反時計方向に６０度傾斜して交わるとともに等間隔に並列に並べられた複数のグリッドサイド（以下、「＋６０度方向グリッドサイド」と称す）２、０度方向グリッドサイド１に対して時計方向に６０度傾斜して交わるとともに等間隔に並列に並べられた複数のグリッドサイド（以下、「−６０度方向グリッドサイド」と称す）３を備える。なお、複数の０度方向グリッドサイド１を第一のグリッドサイド群、複数の＋６０度方向グリッドサイド２を第二のグリッドサイド群、複数の−６０度方向グリッドサイド３を第三のグリッドサイド群と称す。
【００３６】
この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体では、０度方向グリッドサイド１、＋６０度方向グリッドサイド２、−６０度方向グリッドサイド３により正三角形状のグリッド４および六角形状のグリッド５が形成されている。
この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体では、炭素繊維が０度方向、＋６０度方向、−６０度方向に配向積層された擬似等方積層構造であるインサート部材３４が、正三角形のグリッド４に接着されている。また、インサート部材３４はインサート穴３５を持っている。
【００３７】
図１１は、この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体の１つのインサート部材３４を含む拡大図である。図１１（ａ）に示される拡大図は、機器および他の構造体との結合面側の図である。図１１（ｂ）に示される拡大図は、機器および他の構造体との結合面と反対側の図である。
０度方向グリッドサイド１は、図１１に示すように、それぞれ＋６０度方向グリッドサイド２および−６０度方向グリッドサイド３に第一の交差領域８と第二の交差領域９とで交わっている。＋６０度方向グリッドサイド２は、−６０度方向グリッドサイド３と第三の交差領域１０で交わっている。これらの交差領域８、９、１０が互いに近傍に存在することで、正三角形のグリッド４が炭素繊維を擬似等方に積層した構造に近い特性を持つことを発見した。なお、第三の交差領域１０は菱形であり、菱形２本の対角線が交わる中心点を節点１２と称す。また、交差領域８、９間の距離１１の最大値は、節点１２間の距離の半値である。
【００３８】
インサート穴３５を備えた炭素繊維を擬似等方に積層した構造であるインサート部材３４が、０度方向グリッドサイド１、＋６０度方向グリッドサイド２、および−６０度方向グリッドサイド３により構成される正三角形状のグリッド４に接着されている。このときインサート部材３４の熱膨張係数を正三角形状のグリッド４の熱膨張係数よりも低い値にすることで、成形時の熱変形によりインサート部材３４が正三角形状のグリッド４に拘束されるため、このインサート構造は高い引き抜き強度を持っている。
【００３９】
図１２は、この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体の正三角形状のグリッド４と六角形状のグリッド５を含む拡大図である。
ここで、正三角形形状のグリッド４と六角形状のグリッド５を有するインサート付先進グリッド構造体の構造を表す２つの因子を導入し、因子と正三角形状のグリッド４の熱膨張係数、および因子とインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数との関係を求める。
導入する一つの因子は、グリッドサイドの幅Ｗを節点１２間の距離Ｌで除算して得られる商であり、構造比と称す。また、導入するもう一つの因子は、グリッドサイドが交差する交差領域間の距離ａである。ただし、このときの距離ａは０以上且つＬ／２以下である。
【００４０】
次に、正三角形状のグリッドおよびインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数の計測について説明する。
正三角形状のグリッド４およびインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数の計測では、まず、測定サンプル２９であるインサート付先進グリッド構造体をサンプル支持台３０の上に載せ、恒温槽３１内に固定する。次に、恒温槽３１内の温度をコントロールして測定サンプル２９の温度を変化させつつ、測定サンプル２９の両端部および正三角形状のグリッド部に接着したレーザ反射鏡３２にレーザフォーカス変位計３３からレーザを照射し、反射光を受光して、加熱による測定サンプル２９の変位量を測定し、熱膨張係数を算出する。
【００４１】
この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体のグリッドサイドが交差する交差領域間の距離ａは２７ｍｍである。また、節点１２間の距離Ｌは１０５ｍｍであり、グリッドサイドの幅は１．６０ｍｍであるので、構造比は１．６０／１０５＝０．０１５である。このとき、計測した正三角形状のグリッドの熱膨張係数は１．６０ｐｐｍ／Ｋであり、インサート部材３４の熱膨張係数は−０．９０ｐｐｍ／Ｋであるため、成形時の熱変形によりインサート部材３４は正三角形状のグリッドにより拘束される。さらに、計測したインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数はＸ軸方向に０．２０ｐｐｍ／Ｋであり、Ｙ軸方向に０．０ｐｐｍ／Ｋである。
【００４２】
次に、グリッドサイドが交差する交差領域間の距離ａを２７ｍｍとし、節点１２間の距離Ｌが異なるようにテーププリプレグを準備してインサート付先進グリッド構造体を製造した。このとき、構造比は１．６０／１０５＝０．０１５、１．６０／５２．５＝０．０３０、１．６０／２６．２５＝０．０６０であった。このインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数を図７に示すようにして計測した。
【００４３】
図１３は、構造比を横軸にして、熱膨張係数を表したグラフである。
次に、インサート付先進グリッド構造体が、衛星構体として低熱膨張であると考えられる範囲を規定する。
一般に炭素繊維には高強度系の炭素繊維と高弾性系の炭素繊維が存在するが、高弾性系の炭素繊維を使用して、従来の炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造を作製すると熱膨張係数を零近傍にすることが可能である。これは、炭素繊維強化プラスチックが炭素繊維方向には負の熱膨張係数を有し、炭素繊維と直交方向には正の熱膨張係数を有するため、その組み合わせによって零近傍になる。
【００４４】
しかし、これが高強度系の炭素繊維になると、一般に炭素繊維の引張強度と引張弾性率とは反比例の関係を示すため、引張弾性率が低くなり、炭素繊維自身の熱膨張係数が零に近づく方向の値となり、炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造では、熱膨張係数を零近傍にすることはできない。
そこで、ここでは、現在最も高強度な炭素繊維である東レ株式会社製トレカ（登録商標）糸Ｔ１０００Ｇを用いた、従来の炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造では得ることのできない熱膨張係数を一つの判断基準とする。
このとき、炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造の熱膨張係数は０．９３ｐｐｍ／Ｋであるため、インサート付先進グリッド構造体において低熱膨張である構体の範囲は、熱膨張係数が−０．９ｐｐｍ／Ｋ以上且つ０．９ｐｐｍ／Ｋ以下の構体である。
【００４５】
この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体は、炭素繊維が一方向に配向されるグリッドサイドを等間隔に並べる３つのグリッドサイド群を有し、３つのグリッドサイド群のうちの第一のグリッドサイド群を基準に残りの第二のグリッドサイド群と第三のグリッドサイド群がそれぞれ時計方向と反時計方向に６０度傾斜して交わるため、グリッドサイド群の交差しない部分である炭素繊維が一方向にだけ積層された部分と、グリッドサイド群が交差する交差領域部分との構造となる。
【００４６】
このとき、グリッドサイド群の交差しない部分である炭素繊維が一方向にだけ積層された部分とグリッドサイド群が交差する交差領域部分との割合を構造比で調整することによって低熱膨張特性を有する先進グリッド構造体において、三つのグリッドサイド群が互いに交差する領域が互いに近傍に存在することで、３つのグリッドサイド群から構成される正三角形グリッド群が、炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造に近い特性を有する構造となるため、その正三角形グリッド群に、正三角形グリッドよりも低い熱膨張係数を持つ、炭素繊維を擬似等方積層した炭素繊維強化プラスチック構造のインサート部材３４を接着することで、高い引き抜き強度を持つインサート構造且つ低熱膨張特性を有する。
【００４７】
図１３は、交差領域間の距離が２７ｍｍであるときの、構造比に対する熱膨張係数を表したグラフである。
図１３からも分かるように、引張弾性率が２８０ＧＰａ以上且つ３３０ＧＰａ以下の炭素繊維を用いて、構造比が０より大きく且つ０．０８９以下になるように、グリッドサイドの幅Ｗまたは節点９間の距離Ｌを調整すると、熱膨張係数が−０．９ｐｐｍ／Ｋ以上且つ０．９ｐｐｍ／Ｋ以下のインサート付先進グリッド構造体を得ることができる。
【００４８】
なお、この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体において、引張弾性率が２５０ＧＰａ以上且つ３５０ＧＰａ以下の東レ株式会社製トレカ（登録商標）糸Ｔ８００ＨＢの炭素繊維および引張弾性率が８１０ＧＰａ以上且つ９１０ＧＰａ以下の日本グラファイトファイバー株式会社製ＧＲＡＮＯＣヤーン（登録商標）ＸＮ−９０の炭素繊維にエポキシ樹脂を含侵させた後に半硬化させて作ったプリプレグを用いているが、繊維はＴ８００ＨＢやＸＮ−９０に限るものではない。
また、樹脂はエポキシ樹脂に限るものではなく、熱的機械的化学的特性が使用環境に耐えればいずれの樹脂であってもこの発明に適用することができる。
【００４９】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係るインサート付先進グリッド構造体において、インサート部材にインバー合金プレート３７を内部に一体成形する工程について説明する。
図１４（ａ）に示すような炭素繊維が基準辺２１に平行に配向された０度方向炭素繊維プリプレグ２２、図１４（ｂ）に示すような炭素繊維が基準辺２３に対して反時計方向に６０度傾斜するように配向された＋６０度方向炭素繊維プリプレグ２４、図１４（ｃ）に示すような炭素繊維が基準辺２５に対して時計方向に６０度傾斜するように配向された−６０度方向炭素繊維プリプレグ２６を順に、０度方向炭素繊維テーププリプレグ１４、＋６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１６、および−６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１８の積層によって形成された集合領域に、３つのテーププリプレグの積層と交互に複数回にわたって積層する際に、図１４（ｄ）に示すようなインバー合金プレート３７を一枚積層し、加圧下で加熱して成形し、インサート部材３４にネジ穴３８を加工をすることで、この発明の実施の形態３に係るインサート付先進グリッド構造体のインサート構造が製造される。
【００５０】
図１５と図１６は、この発明の実施の形態３に係るインサート付先進グリッド構造体のインサート構造の側面から見た断面図である。図１５は実施の形態１のインサート構造を用いた場合のインサート構造の側面から見た断面図であり、図１６は実施の形態２のインサート構造を用いた場合のインサート構造の側面から見た断面図である。
この発明の実施の形態３に係るインサート付先進グリッド構造体は、図１５に示すように、この発明の実施の形態１および実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体のインサート穴７および３５を、低熱膨張係数を有するインバー合金プレート３７を内部に一体成形されたインサート部材にネジ穴加工をすることで、インサートネジ穴３８としたものである。
【００５１】
この発明の実施の形態３に係るインサート付先進グリッド構造体は、この発明の実施の形態１および実施の形態２と同様に、グリッドサイドの交差領域部分とグリッドサイドが交差しない部分との比率を調整することにより低い熱膨張係数を持つ先進グリッド構造に設けた高い引き抜き強度を持つインサート構造において、アルミニウムやチタン等の金属材料よりも低い熱膨張係数を持つインバー合金をインサート部材の内部に一体成形してネジ穴を加工することで、機器や他の構体との接合の際の位置精度が高精度となる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体において、先進グリッド構造体を製造するためのテーププリプレグの平面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体において、インサート構造を製造するためのプリプレグの平面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体を製造するためのプリプレグの断面図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体の正面図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体の１つの正三角形状のグリッドを含む拡大図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体の正三角形状のグリッドと六角形状のグリッドを含む拡大図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体において、正三角形状のグリッドおよびインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数の測定装置を示す断面図である。
【図８】構造比を横軸にして、この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数を表したグラフである。
【図９】この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体のインサート構造を製造するための拡大図である。
【図１０】この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体の正面図である。
【図１１】この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体の１つの正三角形状のグリッドを含む拡大図である。
【図１２】この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体の正三角形状のグリッドと六角形状のグリッドを含む拡大図である。
【図１３】構造比を横軸にして、この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数を表したグラフである。
【図１４】この発明の実施の形態３に係るインサート付先進グリッド構造体において、インサート構造を製造するためのプリプレグの平面図である。
【図１５】この発明の実施の形態３に係るインサート付先進グリッド構造体のインサート構造の側面から見た断面図である。
【図１６】この発明の実施の形態３に係るインサート付先進グリッド構造体の他のインサート構造の側面から見た断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ ０度方向グリッドサイド、２ ＋６０度方向グリッドサイド、３ −６０度方向グリッドサイド、４ 正三角形状のグリッド、５ 六角形状のグリッド、６ インサート部材、７ インサート穴、８ 第一の交差領域、９ 第二の交差領域、１０ 第三の交差領域、１１ 交差領域間の距離、１２ 節点、１３ 基準辺、１４ ０度方向炭素繊維テーププリプレグ、１５ 基準辺、１６ ＋６０度方向炭素繊維テーププリプレグ、１７ 基準辺、１８ −６０度方向炭素繊維テーププリプレグ、１９ 正三角形領域、２０ 集合領域、２１ 基準辺、２２ ０度方向炭素繊維プリプレグ、２３ 基準辺、２４ ＋６０度方向炭素繊維プリプレグ、２５ 基準辺、２６ −６０度方向炭素繊維プリプレグ、２７ シリコーンゴム、２８ 成形板、２９ 測定サンプル、３０ サンプル支持台、３１ 恒温槽、３２ レーザ反射鏡、３３ レーザフォーカス変位計、３４ インサート部材、３５ インサート穴、３６ 接着剤、３７ インバー合金プレート、３８ インサートネジ穴。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、金属よりも軽量で熱膨張係数の低い航空宇宙用の材料である炭素繊維強化プラスチックを用いる低熱膨張特性を備える、結合インサートを備える先進グリッド構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球上の高解像度画像の需要の高まりに伴い、光学機器を搭載した小型衛星を低高度地球周回軌道に多数配備する計画が成されており、光学機器を搭載した小型衛星の開発が重要視されている。このような衛星には光学機器の観測精度を低下させないために熱的寸法安定性を備えた衛星構造体が要求される。
従来のアルミニウムを材質とする金属製の衛星構造体よりも、熱的寸法安定性に優れた衛星構造体として、炭素繊維強化プラスチックを材質とする衛星構造体が提案されている。その１つとして、複合３角形格子を有する衛星構造体があり、この複合三角形格子の衛星構造体は、炭素繊維強化プラスチックから構成される正三角形の格子群と、正三角形の節点に設けられた金属製のインサートとを複合することにより構成されている。
正三角形の格子群は、予め正三角形の節点位置に円筒形状の金属製のインサートを設置し、樹脂を含侵した炭素繊維の糸を、正三角形の格子群を形成するようにインサートに巻き付けていき、加圧下で加熱して成形する、いわゆるフィラメントワインディング成形法により形成されている。
また、金属製のインサートは、正三角形の格子群を加圧下で加熱して成形する際に、樹脂の硬化により正三角形の格子群と一体化された構成となっている。金属製のインサートは、円筒形状になっており、搭載機器の結合部とピンを用いて結合することができる。このようにして、搭載機器や他の構造体と結合するためのインサート構造を持った低熱膨張な構造体を実現している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４１３７３５４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述のインサート構造を持った低熱膨張な構造体は、正三角形の格子群の正三角形の節点位置に予め設置した金属製のインサートに樹脂を含侵した糸を巻きつけ、加圧下で加熱して成形しているため、インサートの引き抜き強度は樹脂の硬化による接着強度であり、４０ＭＰａ程度の低い引張強度となってしまう。
また、上述のインサート構造を持った低熱膨張な構造体では、炭素繊維強化プラスチックから構成される構造体の熱膨張係数が−３．０ｐｐｍ／Ｋから３．０ｐｐｍ／Ｋ程度であるのに対して、アルミニウムやチタンのような金属から構成されるインサートの熱膨張係数が１０．０ｐｐｍ／Ｋから２３．０ｐｐｍ／Ｋであるため、構造体を加圧下で加熱して成形した後に成形温度から冷却する過程で、構造体とインサートとの間の熱膨張係数の差に起因する熱応力差により、インサートの引き抜き強度が低下してしまう。
【０００５】
この発明の目的は、高い引き抜き強度を持つインサート構造を備える、低熱膨張特性を有する先進グリッド構造体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るインサート付先進グリッド構造体は、第一の方向に等間隔に並べられた炭素繊維が長尺方向に配向された第一のテーププリプレグ群、上記第一の方向に対して反時計方向に６０度傾斜した第二の方向に等間隔に並べられた炭素繊維が長尺方向に配向された第二のテーププリプレグ群、および上記第一の方向に対して時計方向に６０度傾斜した第三の方向に等間隔に並べられた炭素繊維が長尺方向に配向された第三のテーププリプレグ群が、互いに２つのテーププリプレグ群が重なり且つ３つのテーププリプレグ群が同じ位置で重ならないようにそれぞれ順に積層されるとともに、上記第一のテーププリプレグ、上記第二のテーププリプレグおよび上記第三のテーププリプレグから構成される正三角形領域からテーププリプレグの交差領域を除いた集合領域の形状で、上記第一の方向に炭素繊維が一方向に配向された第一のプリプレグシート群、上記第一の方向に対して反時計方向に６０度傾斜した第二の方向に炭素繊維が一方向に配向された第二のプリプレグシート群、および上記第一の方向に対して時計方向に６０度傾斜した第三の方向に炭素繊維が一方向に配向された第三のプリプレグシート群が上記集合領域にそれぞれ順に積層されて加圧下で加熱されることにより成形され、且つ３つのグリッドサイド群によって囲まれたインサート部材に穴加工されたインサート付先進グリッド構造体において、上記第一のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第一のグリッドサイド群、上記第二のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第二のグリッドサイド群、および上記第三のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第三のグリッドサイド群の中で、上記第二のグリッドサイド群と上記第三のグリッドサイド群とが交差する領域の中心点と当該交差する領域に最近接の上記第二のグリッドサイド群と上記第三のグリッドサイド群とが交差する領域の中心点との間隔でグリッドサイド幅を除算して得られる構造比が所定の範囲内であるとともに、３つのグリッドサイド群によって囲まれた上記インサート部材が炭素繊維強化プラスチック構造であることにより、熱膨張係数が−０．９ｐｐｍ／Ｋ以上且つ０．９ｐｐｍ／Ｋ以下である。
【発明の効果】
【０００７】
この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体は、炭素繊維が一方向に配向されるグリッドサイドを等間隔に並べる３つのグリッドサイド群を有し、３つのグリッドサイド群のうちの第一のグリッドサイド群を基準に残りの第二のグリッドサイド群と第三のグリッドサイド群がそれぞれ時計方向と反時計方向に６０度傾斜して交わるため、グリッドサイド群の交差しない部分である炭素繊維が一方向にだけ積層された部分と、グリッドサイド群が交差する交差領域部分とから構成され、グリッドサイド群の交差しない部分である炭素繊維が一方向にだけ積層された部分とグリッドサイド群が交差する交差領域部分との割合を構造比で調整することによって低熱膨張特性を有する先進グリッド構造体において、三つのグリッドサイド群が互いに交差する領域が互いに近傍に存在することで、３つのグリッドサイド群から構成される正三角形グリッド群が、炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造に近い特性を有する構造となるため、その正三角形グリッド群に、炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造のインサートを一部埋め込んで一体成形することで、高い引き抜き強度且つ低残留熱応力特性を持つインサート構造且つ低熱膨張特性を有するという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
以下の説明において用いる語彙について説明する。「グリッドサイド」とは、後で詳細に説明するが先進グリッド構造体に含まれる正三角形グリッドおよび六角形グリッドの辺を構成するものを意味する。「テーププリプレグ」とは、まとめられた複数本の炭素繊維に樹脂を含浸させて作製された半硬化状態のテープ状のものである。
【０００９】
図１は、この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体において、先進グリッド構造体を製造するためのテーププリプレグの平面図である。
この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体の製造方法について説明する。先に先進グリッド構造体の製造方法を説明し、その後にインサート構造の製造方法について説明する。
東レ株式会社製トレカ（登録商標）糸Ｔ８００ＨＢとエポキシ樹脂原料を用いて、長尺方向に炭素繊維が配向された帯状のテーププリプレグを用意する。
そして、図１（ａ）に示すような炭素繊維が基準辺１３に平行に配向された０度方向炭素繊維テーププリプレグ１４、図１（ｂ）に示すような炭素繊維が基準辺１５に対して反時計方向に６０度傾斜するように配向された＋６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１６、図１（ｃ）に示すような炭素繊維が基準辺１７に対して時計方向に６０度傾斜するように配向された−６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１８を、順に複数回にわたって積層しテーププリプレグの積層体を製造する。
【００１０】
テーププリプレグの積層体は、図２（ａ）に示すような０度方向炭素繊維テーププリプレグ１４、＋６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１６、および−６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１８によって形成された正三角形領域１９を有する。そして、正三角形領域１９には、第一の交差領域８、第二の交差領域９、第三の交差領域１０、および第一の交差領域８、第二の交差領域９および第三の交差領域１０を除いた集合領域２０を有する。図２（ａ）の斜線でハッチングされた集合領域２０には、正三角形グリッドに重なる３つの台形領域と３つの台形領域の上辺に３辺が連なる正三角形領域を有する。
【００１１】
図２は、この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体において、インサート構造を製造するためのプリプレグの平面図である。
東レ株式会社製トレカ（登録商標）糸Ｔ８００ＨＢとエポキシ樹脂原料を用いて、集合領域２０の正三角形領域の各辺に平行な方向に炭素繊維が配向された集合領域２０の形状と外形が同じプリプレグを用意する。
そして、テーププリプレグの積層体の集合領域に重なるように、図２（ｂ）に示すような炭素繊維が基準辺２１に平行に配向された０度方向炭素繊維プリプレグ２２、図２（ｃ）に示すような炭素繊維が基準辺２３に対して反時計方向に６０度傾斜するように配向された＋６０度方向炭素繊維プリプレグ２４、図２（ｄ）に示すような炭素繊維が基準辺２５に対して時計方向に６０度傾斜するように配向された−６０度方向炭素繊維プリプレグ２６を順に、０度方向炭素繊維テーププリプレグ１４、＋６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１６、および−６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１８の積層によって形成された集合領域２０に、３つのテーププリプレグの積層と交互に複数回にわたって積層する。
【００１２】
ただし、０度方向炭素繊維プリプレグ２２、＋６０度方向炭素繊維プリプレグ２４、および−６０度方向炭素繊維プリプレグ２６の積層数の最大値は、０度方向炭素繊維テーププリプレグ１４、＋６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１６、および−６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１８の積層数であり、重量の観点から、許容設計強度を満たす範囲内で可能な限り積層数を少なくすることが望ましい。
【００１３】
次に、積層したプリプレグを加圧下で加熱して成形する方法について説明する。
図３は、この発明の実施の形態１に係る先進グリッド構造体にインサート構造を形成する様子を説明するための図である。図３は、テーププリプレグにプリプレグを積層した後での図２（ａ）のＡ−Ａ断面と同じ断面での断面図である。
成形板２８上に所定の枚数のテーププリプレグを積層する。そして、正三角形領域１９のうちテーププリプレグが積層された領域以外の領域の形状を断面とする三角柱のシリコーンゴム２７をテーププリプレグが積層された領域以外の領域に挿入する。
次に、０度方向炭素繊維プリプレグ２２をテーププリプレグが積層された上に積層する。次に、その上にテーププリプレグを積層し、その上に、＋６０度方向炭素繊維プリプレグ２４を積層する。さらに、その上にテーププリプレグを積層し、その上に、−６０度方向炭素繊維プリプレグ２６を積層する。次に、その上にテーププリプレグを積層し、最も上に成形板２８を載せる。なお、図３（ａ）では０度方向炭素繊維プリプレグ２２、＋６０度方向炭素繊維プリプレグ２４、および−６０度方向炭素繊維プリプレグ２６の積層数は１ずつであるが、複数の積層数であっても良く、その場合、上述のような積層を繰り返せば良い。
【００１４】
次に、このように上下から成形板２８で挟み込まれた積層体を、加圧下で加熱してインサート付先進グリッド構造体を成形する。このとき、成形時の温度は１８０度とし、成形圧力は３００ｋＰａとした。
このように加圧下で加熱すると、図３（ｂ）に示すように、プリプレグは成形圧力とシリコーンゴム２７の膨張により加圧され、図３（ｃ）のように熱硬化成形された。
【００１５】
なお、０度方向炭素繊維テーププリプレグ１４が複数並べられたものを第一のテーププリプレグ群、＋６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１６が複数並べられたものを第二のテーププリプレグ群、−６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１８が複数並べられたものを第三のテーププリプレグ群と称す。
また、０度方向炭素繊維プリプレグ２２が複数並べられたものを第一のプリプレグ群、＋６０度方向炭素繊維プリプレグ２４が複数並べられたものを第二のプリプレグ群、−６０度方向炭素繊維プリプレグ２６が複数並べられたものを第三のプリプレグ群と称す。
【００１６】
このとき、第一のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第一のグリッドサイド群、第二のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第二のグリッドサイド群、および第三のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第三のグリッドサイド群の中で、第一のグリッドサイド群、第二のグリッドサイド群、および第三のグリッドサイド群が互いに交差する領域が互いに近傍に存在することで、３つのグリッドサイド群から構成される正三角形グリッド群が、炭素繊維を擬似等方積層した炭素繊維強化プラスチック構造に近い特性を有することを発見し、その正三角形グリッド群に、炭素繊維を擬似等方積層した炭素繊維強化プラスチック構造のインサートを一部埋め込んで一体成形することで高い引き抜き強度を持つインサート構造を有し、且つ低熱膨張特性を有する先進グリッド構造と同等の低熱膨張特性を有する構造とした。
【００１７】
図４は、この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体の正面図である。
この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体は、炭素繊維に樹脂を含侵させた後に半硬化させて作ったプリプレグを使用し、長尺方向に向くように炭素繊維を配向させて繊維強化されたエポキシ樹脂のプリプレグからなる帯状のテーププリプレグおよびテーププリプレグの交差領域付近に炭素繊維を配向させて繊維強化されたエポキシ樹脂のプリプレグを積層し、加圧下で加熱することにより成形したトラス構造である。炭素繊維としては、高強度系であり、引張弾性率が２５０ＧＰa以上且つ３５０ＧＰa以下の東レ株式会社製トレカ（登録商標）糸Ｔ８００ＨＢを用いている。
【００１８】
この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体は、図４の図面上では長さ方向が紙面の上下方向に向き、長さ方向に直交する第一の方向に等間隔に並列に並べられた複数のグリッドサイド（以下、「０度方向グリッドサイド」と称す）１、０度方向グリッドサイド１に対して反時計方向に６０度傾斜して交わるとともに等間隔に並列に並べられた複数のグリッドサイド（以下、「＋６０度方向グリッドサイド」と称す）２、０度方向グリッドサイド１に対して時計方向に６０度傾斜して交わるとともに等間隔に並列に並べられた複数のグリッドサイド（以下、「−６０度方向グリッドサイド」と称す）３を備える。
なお、複数の０度方向グリッドサイド１を第一のグリッドサイド群、複数の＋６０度方向グリッドサイド２を第二のグリッドサイド群、複数の−６０度方向グリッドサイド３を第三のグリッドサイド群と称す。
【００１９】
この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体では、０度方向グリッドサイド１、＋６０度方向グリッドサイド２、−６０度方向グリッドサイド３により正三角形状のグリッド４および六角形状のグリッド５が形成されている。
この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体では、炭素繊維が０度方向、＋６０度方向、−６０度方向に配向積層された擬似等方積層構造であるインサート部材６が、正三角形のグリッド４に一部埋め込み一体成形されている。また、インサート部材６はインサート穴７を有している。
【００２０】
図５は、この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体の１つのインサート部材６を含む拡大図である。図５（ａ）に示される拡大図は、機器および他の構造体との結合面側の図である。図５（ｂ）に示される拡大図は、機器および他の構造体との結合面と反対側の図である。
０度方向グリッドサイド１は、図５に示すように、それぞれ＋６０度方向グリッドサイド２および−６０度方向グリッドサイド３に第一の交差領域８と第二の交差領域９とで交わっている。＋６０度方向グリッドサイド２は、−６０度方向グリッドサイド３と第三の交差領域１０で交わっている。これらの交差領域８、９、１０が互いに近傍に存在することで、正三角形のグリッド４が炭素繊維を擬似等方に積層した構造に近い特性を持つことを発見した。なお、第三の交差領域１０は菱形であり、菱形２本の対角線が交わる中心点を節点１２と称す。また、交差領域８、９間の距離１１の最大値は、節点１２間の距離の半値である。
【００２１】
インサート穴７を備えた炭素繊維を擬似等方に積層した構造であるインサート部材６が、０度方向グリッドサイド１、＋６０度方向グリッドサイド２、および−６０度方向グリッドサイド３に一部埋め込まれて、正三角形のグリッド４に一体成形されている。このとき、インサート部材６と正三角形のグリッド４との界面を横切るように、炭素繊維が連続的に存在しているため、このインサート構造は高い引き抜き強度を持っている。また、インサート部材６と正三角形のグリッド４とは、ほぼ同等の熱膨張係数を持つことから、成形時の熱応力差により、引き抜き強度が低下することもない。
【００２２】
図６は、この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体の正三角形状のグリッド４と六角形状のグリッド５を含む拡大図である。
ここで、正三角形形状のグリッド４と六角形状のグリッド５を有するインサート付先進グリッド構造体の構造を表す２つの因子を導入し、因子と正三角形状のグリッド４の熱膨張係数、および因子とインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数との関係を求める。
導入する一つの因子は、グリッドサイドの幅Ｗを節点１２間の距離Ｌで除算して得られる商であり、構造比と称す。
また、導入するもう一つの因子は、グリッドサイドが交差する交差領域間の距離ａである。ただし、このときの距離ａは０以上且つＬ／２以下である。
【００２３】
図７は、正三角形状のグリッドおよびインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数の測定装置を示す断面図である。
次に、正三角形状のグリッドおよびインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数の計測について説明する。
正三角形状のグリッド４およびインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数の計測では、まず、測定サンプル２９であるインサート付先進グリッド構造体をサンプル支持台３０の上に載せ、恒温槽３１内に固定する。
次に、恒温槽３１内の温度をコントロールして測定サンプル２９の温度を変化させつつ、測定サンプル２９の両端部および正三角形状のグリッド部に接着したレーザ反射鏡３２にレーザフォーカス変位計３３からレーザを照射し、反射光を受光して、加熱による測定サンプル２９の変位量を測定し、熱膨張係数を算出する。
【００２４】
この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体のグリッドサイドが交差する交差領域間の距離ａは２７ｍｍである。また、節点１２間の距離Ｌは１０５ｍｍであり、グリッドサイドの幅は１．６０ｍｍであるので、構造比は１．６０／１０５＝０．０１５である。このとき、計測した正三角形状のグリッドの熱膨張係数は１．６０ｐｐｍ／Ｋであり、炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造の熱膨張係数である０．９３ｐｐｍ／Ｋに近い値である。
さらに、計測したインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数はＸ軸方向に０．２０ｐｐｍ／Ｋであり、Ｙ軸方向に０．０ｐｐｍ／Ｋである。
次に、グリッドサイドが交差する交差領域間の距離ａを２７ｍｍとし、節点１２間の距離Ｌが異なるようにテーププリプレグを準備してインサート付先進グリッド構造体を製造した。このとき、構造比は１．６０／１０５＝０．０１５、１．６０／５２．５＝０．０３０、１．６０／２６．２５＝０．０６０であった。このインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数を図７に示すようにして計測した。
【００２５】
図８は、構造比を横軸にして、熱膨張係数を表したグラフである。
次に、インサート付先進グリッド構造体が、衛星構体として低熱膨張であると考えられる範囲を規定する。一般に炭素繊維には高強度系の炭素繊維と高弾性系の炭素繊維が存在するが、高弾性系の炭素繊維を使用して、従来の炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造を作製すると熱膨張係数を零近傍にすることが可能である。これは、炭素繊維強化プラスチックが炭素繊維方向には負の熱膨張係数を有し、炭素繊維と直交方向には正の熱膨張係数を有するため、その組み合わせによって零近傍になる。
しかし、これが高強度系の炭素繊維になると、一般に炭素繊維の引張強度と引張弾性率とは反比例の関係を示すため、引張弾性率が低くなり、炭素繊維自身の熱膨張係数が零に近づく方向の値となり、炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造では、熱膨張係数を零近傍にすることはできない。
そこで、ここでは、現在最も高強度な炭素繊維である東レ株式会社製トレカ（登録商標）糸Ｔ１０００Ｇを用いた、従来の炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造では得ることのできない熱膨張係数を一つの判断基準とする。このとき、炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造の熱膨張係数は０．９３ｐｐｍ／Ｋであるため、インサート付先進グリッド構造体において低熱膨張である構体の範囲は、熱膨張係数が−０．９ｐｐｍ／Ｋ以上且つ０．９ｐｐｍ／Ｋ以下の構体である。
【００２６】
この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体は、炭素繊維が一方向に配向されるグリッドサイドを等間隔に並べる３つのグリッドサイド群を有し、３つのグリッドサイド群のうちの第一のグリッドサイド群を基準に残りの第二のグリッドサイド群と第三のグリッドサイド群がそれぞれ時計方向と反時計方向に６０度傾斜して交わるため、グリッドサイド群の交差しない部分である炭素繊維が一方向にだけ積層された部分と、グリッドサイド群が交差する交差領域部分との構造となる。
【００２７】
このとき、グリッドサイド群の交差しない部分である炭素繊維が一方向にだけ積層された部分とグリッドサイド群が交差する交差領域部分との割合を構造比で調整することによって低熱膨張特性を有する先進グリッド構造体において、三つのグリッドサイド群が互いに交差する領域が互いに近傍に存在することで、３つのグリッドサイド群から構成される正三角形グリッド群が、炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造に近い特性を有する構造となるため、その正三角形グリッド群に、炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造のインサートを一部埋め込んで一体成形することで、高い引き抜き強度且つ低残留熱応力特性を持つインサート構造且つ低熱膨張特性を有する。
【００２８】
図８は、交差領域間の距離が２７ｍｍであるときの、構造比に対する熱膨張係数を表したグラフである。
図８からも分かるように、引張弾性率が２８０ＧＰａ以上且つ３３０ＧＰａ以下の炭素繊維を用いて、構造比が０より大きく且つ０．０８９以下になるように、グリッドサイドの幅Ｗまたは節点９間の距離Ｌを調整すると、熱膨張係数が−０．９ｐｐｍ／Ｋ以上且つ０．９ｐｐｍ／Ｋ以下のインサート付先進グリッド構造体を得ることができる。
【００２９】
なお、この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体において、引張弾性率が２５０ＧＰａ以上且つ３５０ＧＰａ以下の東レ株式会社製トレカ（登録商標）糸Ｔ８００ＨＢの炭素繊維にエポキシ樹脂を含侵させた後に半硬化させて作ったプリプレグを用いているが、繊維はＴ８００ＨＢに限るものではない。
また、樹脂はエポキシ樹脂に限るものではなく、熱的機械的化学的特性が使用環境に耐えればいずれの樹脂であってもこの発明に適用することができる。
なお、この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体において、成形のときの温度を１８０度としたが、プリプレグが加圧下で加熱して成形できる温度であればよいので、８０度から２８０度の範囲で適宜設定できる。
また、成形のときの圧力を３００ｋＰａとしたが、プリプレグが加圧下で加熱して成形できる圧力であればよいので、１００ｋＰａから１０００ｋＰａの範囲で適宜設定できる。
【００３０】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体の製造方法について説明する。先に先進グリッド構造体の製造方法を説明し、その後にインサート構造の製造方法について説明する。
図１は、この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体において、先進グリッド構造体を製造するためのテーププリプレグの平面図である。
東レ株式会社製トレカ（登録商標）糸Ｔ８００ＨＢとエポキシ樹脂原料を用いて、長さ方向（図１（ａ）の紙面上の上下方向）に炭素繊維が配向された帯状のテーププリプレグを用意する。図１（ａ）に示すような炭素繊維が基準辺１３に平行に配向された０度方向炭素繊維テーププリプレグ１４、図３（ｂ）に示すような炭素繊維が基準辺１５に対して反時計方向に６０度傾斜するように配向された＋６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１６、図３（ｃ）に示すような炭素繊維が基準辺１７に対して時計方向に６０度傾斜するように配向された−６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１８を、順に複数回にわたって積層し、加圧下で加熱することにより先進グリッド構造体を製造する。
【００３１】
また、別途、日本グラファイトファイバー株式会社製ＧＲＡＮＯＣヤーン（登録商標）ＸＮ９０とエポキシ樹脂原料を用いて、正三角柱形状の成形型に、炭素繊維を０度方向、＋６０度方向、−６０度方向に擬似等方になるようにプリプレグを積層して加圧下で加熱することにより炭素繊維強化プラスチック構造のインサート部材３４を製造する。
【００３２】
図９は、この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体のインサート構造を製造するための拡大図である。図９（ａ）に示すような先進グリッド構造体の正三角形状のグリッド４の３つのグリッドサイドによって囲まれた空間に、図９（ｂ）に示すようなインサート部材３４を接着剤で接着する。なお、図９（ｂ）はインサート部材３４の機器および他の構造体との結合面側であり、図９（ｃ）はインサート部材３４の機器および他の構造体との結合面と反対側の面である。
【００３３】
なお、０度方向炭素繊維テーププリプレグ１４が複数並べられたものを第一のテーププリプレグ群、＋６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１６が複数並べられたものを第二のテーププリプレグ群、−６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１８が複数並べられたものを第三のテーププリプレグ群と称す。
このとき、第一のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第一のグリッドサイド群、第二のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第二のグリッドサイド群、および第三のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第三のグリッドサイド群の中で、第一のグリッドサイド群、第二のグリッドサイド群、および第三のグリッドサイド群が互いに交差する領域が互いに近傍に存在することで、３つのグリッドサイド群から構成される正三角形グリッド群が、炭素繊維を擬似等方積層した炭素繊維強化プラスチック構造に近い特性を有することを発見し、その正三角形グリッド群に、正三角形グリッドよりも低い熱膨張係数を持つ、炭素繊維を擬似等方積層した炭素繊維強化プラスチック構造のインサート部材３４を接着剤３６により接着することで高い引き抜き強度を持つインサート構造を有し、且つ低熱膨張特性を有する先進グリッド構造と同等の低熱膨張特性を有する構造とした。
【００３４】
図１０は、この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体の正面図である。
先進グリッド構造体の正三角形状のグリッド４の３つのグリッドサイドによって囲まれた空間に、インサート部材３４を挿入し、接着剤３６で接着する。先進グリッド構造体への接着後、インサート部材３４は穴加工されて、インサート穴３５を有する。このようにしてこの発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体が製造される。
この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体は、炭素繊維に樹脂を含侵させた後に半硬化させて作ったプリプレグを使用し、長尺方向に向くように炭素繊維を配向させて繊維強化されたエポキシ樹脂のプリプレグからなる帯状のテーププリプレグを積層し、加圧下で加熱することにより成形したトラス構造の節点に、炭素繊維を配向させて繊維強化されたエポキシ樹脂のプリプレグを加圧下で加熱することにより成形したインサート構造を接着した構造である。炭素繊維としては、テーププリプレグには引張弾性率が２５０ＧＰa以上且つ３５０ＧＰa以下の東レ株式会社製トレカ（登録商標）糸Ｔ８００ＨＢを用い、プリプレグには引張弾性率８１０ＧＰa以上且つ９１０ＧＰa以下の日本グラファイトファイバー株式会社製ＧＲＡＮＯＣヤーン（登録商標）ＸＮ−９０を用いている。
【００３５】
この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体は、図１０の図面上では長さ方向が紙面の上下方向に向き、長さ方向に直交する第一の方向に等間隔に並列に並べられた複数のグリッドサイド（以下、「０度方向グリッドサイド」と称す）１、０度方向グリッドサイド１に対して反時計方向に６０度傾斜して交わるとともに等間隔に並列に並べられた複数のグリッドサイド（以下、「＋６０度方向グリッドサイド」と称す）２、０度方向グリッドサイド１に対して時計方向に６０度傾斜して交わるとともに等間隔に並列に並べられた複数のグリッドサイド（以下、「−６０度方向グリッドサイド」と称す）３を備える。なお、複数の０度方向グリッドサイド１を第一のグリッドサイド群、複数の＋６０度方向グリッドサイド２を第二のグリッドサイド群、複数の−６０度方向グリッドサイド３を第三のグリッドサイド群と称す。
【００３６】
この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体では、０度方向グリッドサイド１、＋６０度方向グリッドサイド２、−６０度方向グリッドサイド３により正三角形状のグリッド４および六角形状のグリッド５が形成されている。
この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体では、炭素繊維が０度方向、＋６０度方向、−６０度方向に配向積層された擬似等方積層構造であるインサート部材３４が、正三角形のグリッド４に接着されている。また、インサート部材３４はインサート穴３５を持っている。
【００３７】
図１１は、この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体の１つのインサート部材３４を含む拡大図である。図１１（ａ）に示される拡大図は、機器および他の構造体との結合面側の図である。図１１（ｂ）に示される拡大図は、機器および他の構造体との結合面と反対側の図である。
０度方向グリッドサイド１は、図１１に示すように、それぞれ＋６０度方向グリッドサイド２および−６０度方向グリッドサイド３に第一の交差領域８と第二の交差領域９とで交わっている。＋６０度方向グリッドサイド２は、−６０度方向グリッドサイド３と第三の交差領域１０で交わっている。これらの交差領域８、９、１０が互いに近傍に存在することで、正三角形のグリッド４が炭素繊維を擬似等方に積層した構造に近い特性を持つことを発見した。なお、第三の交差領域１０は菱形であり、菱形２本の対角線が交わる中心点を節点１２と称す。また、交差領域８、９間の距離１１の最大値は、節点１２間の距離の半値である。
【００３８】
インサート穴３５を備えた炭素繊維を擬似等方に積層した構造であるインサート部材３４が、０度方向グリッドサイド１、＋６０度方向グリッドサイド２、および−６０度方向グリッドサイド３により構成される正三角形状のグリッド４に接着されている。このときインサート部材３４の熱膨張係数を正三角形状のグリッド４の熱膨張係数よりも低い値にすることで、成形時の熱変形によりインサート部材３４が正三角形状のグリッド４に拘束されるため、このインサート構造は高い引き抜き強度を持っている。
【００３９】
図１２は、この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体の正三角形状のグリッド４と六角形状のグリッド５を含む拡大図である。
ここで、正三角形形状のグリッド４と六角形状のグリッド５を有するインサート付先進グリッド構造体の構造を表す２つの因子を導入し、因子と正三角形状のグリッド４の熱膨張係数、および因子とインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数との関係を求める。
導入する一つの因子は、グリッドサイドの幅Ｗを節点１２間の距離Ｌで除算して得られる商であり、構造比と称す。また、導入するもう一つの因子は、グリッドサイドが交差する交差領域間の距離ａである。ただし、このときの距離ａは０以上且つＬ／２以下である。
【００４０】
次に、正三角形状のグリッドおよびインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数の計測について説明する。
正三角形状のグリッド４およびインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数の計測では、まず、測定サンプル２９であるインサート付先進グリッド構造体をサンプル支持台３０の上に載せ、恒温槽３１内に固定する。次に、恒温槽３１内の温度をコントロールして測定サンプル２９の温度を変化させつつ、測定サンプル２９の両端部および正三角形状のグリッド部に接着したレーザ反射鏡３２にレーザフォーカス変位計３３からレーザを照射し、反射光を受光して、加熱による測定サンプル２９の変位量を測定し、熱膨張係数を算出する。
【００４１】
この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体のグリッドサイドが交差する交差領域間の距離ａは２７ｍｍである。また、節点１２間の距離Ｌは１０５ｍｍであり、グリッドサイドの幅は１．６０ｍｍであるので、構造比は１．６０／１０５＝０．０１５である。このとき、計測した正三角形状のグリッドの熱膨張係数は１．６０ｐｐｍ／Ｋであり、インサート部材３４の熱膨張係数は−０．９０ｐｐｍ／Ｋであるため、成形時の熱変形によりインサート部材３４は正三角形状のグリッドにより拘束される。さらに、計測したインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数はＸ軸方向に０．２０ｐｐｍ／Ｋであり、Ｙ軸方向に０．０ｐｐｍ／Ｋである。
【００４２】
次に、グリッドサイドが交差する交差領域間の距離ａを２７ｍｍとし、節点１２間の距離Ｌが異なるようにテーププリプレグを準備してインサート付先進グリッド構造体を製造した。このとき、構造比は１．６０／１０５＝０．０１５、１．６０／５２．５＝０．０３０、１．６０／２６．２５＝０．０６０であった。このインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数を図７に示すようにして計測した。
【００４３】
図１３は、構造比を横軸にして、熱膨張係数を表したグラフである。
次に、インサート付先進グリッド構造体が、衛星構体として低熱膨張であると考えられる範囲を規定する。
一般に炭素繊維には高強度系の炭素繊維と高弾性系の炭素繊維が存在するが、高弾性系の炭素繊維を使用して、従来の炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造を作製すると熱膨張係数を零近傍にすることが可能である。これは、炭素繊維強化プラスチックが炭素繊維方向には負の熱膨張係数を有し、炭素繊維と直交方向には正の熱膨張係数を有するため、その組み合わせによって零近傍になる。
【００４４】
しかし、これが高強度系の炭素繊維になると、一般に炭素繊維の引張強度と引張弾性率とは反比例の関係を示すため、引張弾性率が低くなり、炭素繊維自身の熱膨張係数が零に近づく方向の値となり、炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造では、熱膨張係数を零近傍にすることはできない。
そこで、ここでは、現在最も高強度な炭素繊維である東レ株式会社製トレカ（登録商標）糸Ｔ１０００Ｇを用いた、従来の炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造では得ることのできない熱膨張係数を一つの判断基準とする。
このとき、炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造の熱膨張係数は０．９３ｐｐｍ／Ｋであるため、インサート付先進グリッド構造体において低熱膨張である構体の範囲は、熱膨張係数が−０．９ｐｐｍ／Ｋ以上且つ０．９ｐｐｍ／Ｋ以下の構体である。
【００４５】
この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体は、炭素繊維が一方向に配向されるグリッドサイドを等間隔に並べる３つのグリッドサイド群を有し、３つのグリッドサイド群のうちの第一のグリッドサイド群を基準に残りの第二のグリッドサイド群と第三のグリッドサイド群がそれぞれ時計方向と反時計方向に６０度傾斜して交わるため、グリッドサイド群の交差しない部分である炭素繊維が一方向にだけ積層された部分と、グリッドサイド群が交差する交差領域部分との構造となる。
【００４６】
このとき、グリッドサイド群の交差しない部分である炭素繊維が一方向にだけ積層された部分とグリッドサイド群が交差する交差領域部分との割合を構造比で調整することによって低熱膨張特性を有する先進グリッド構造体において、三つのグリッドサイド群が互いに交差する領域が互いに近傍に存在することで、３つのグリッドサイド群から構成される正三角形グリッド群が、炭素繊維を擬似等方に積層した炭素繊維強化プラスチック構造に近い特性を有する構造となるため、その正三角形グリッド群に、正三角形グリッドよりも低い熱膨張係数を持つ、炭素繊維を擬似等方積層した炭素繊維強化プラスチック構造のインサート部材３４を接着することで、高い引き抜き強度を持つインサート構造且つ低熱膨張特性を有する。
【００４７】
図１３は、交差領域間の距離が２７ｍｍであるときの、構造比に対する熱膨張係数を表したグラフである。
図１３からも分かるように、引張弾性率が２８０ＧＰａ以上且つ３３０ＧＰａ以下の炭素繊維を用いて、構造比が０より大きく且つ０．０８９以下になるように、グリッドサイドの幅Ｗまたは節点９間の距離Ｌを調整すると、熱膨張係数が−０．９ｐｐｍ／Ｋ以上且つ０．９ｐｐｍ／Ｋ以下のインサート付先進グリッド構造体を得ることができる。
【００４８】
なお、この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体において、引張弾性率が２５０ＧＰａ以上且つ３５０ＧＰａ以下の東レ株式会社製トレカ（登録商標）糸Ｔ８００ＨＢの炭素繊維および引張弾性率が８１０ＧＰａ以上且つ９１０ＧＰａ以下の日本グラファイトファイバー株式会社製ＧＲＡＮＯＣヤーン（登録商標）ＸＮ−９０の炭素繊維にエポキシ樹脂を含侵させた後に半硬化させて作ったプリプレグを用いているが、繊維はＴ８００ＨＢやＸＮ−９０に限るものではない。
また、樹脂はエポキシ樹脂に限るものではなく、熱的機械的化学的特性が使用環境に耐えればいずれの樹脂であってもこの発明に適用することができる。
【００４９】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係るインサート付先進グリッド構造体において、インサート部材にインバー合金プレート３７を内部に一体成形する工程について説明する。
図１４（ａ）に示すような炭素繊維が基準辺２１に平行に配向された０度方向炭素繊維プリプレグ２２、図１４（ｂ）に示すような炭素繊維が基準辺２３に対して反時計方向に６０度傾斜するように配向された＋６０度方向炭素繊維プリプレグ２４、図１４（ｃ）に示すような炭素繊維が基準辺２５に対して時計方向に６０度傾斜するように配向された−６０度方向炭素繊維プリプレグ２６を順に、０度方向炭素繊維テーププリプレグ１４、＋６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１６、および−６０度方向炭素繊維テーププリプレグ１８の積層によって形成された集合領域に、３つのテーププリプレグの積層と交互に複数回にわたって積層する際に、図１４（ｄ）に示すようなインバー合金プレート３７を一枚積層し、加圧下で加熱して成形し、インサート部材３４にネジ穴３８を加工をすることで、この発明の実施の形態３に係るインサート付先進グリッド構造体のインサート構造が製造される。
【００５０】
図１５と図１６は、この発明の実施の形態３に係るインサート付先進グリッド構造体のインサート構造の側面から見た断面図である。図１５は実施の形態１のインサート構造を用いた場合のインサート構造の側面から見た断面図であり、図１６は実施の形態２のインサート構造を用いた場合のインサート構造の側面から見た断面図である。
この発明の実施の形態３に係るインサート付先進グリッド構造体は、図１５に示すように、この発明の実施の形態１および実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体のインサート穴７および３５を、低熱膨張係数を有するインバー合金プレート３７を内部に一体成形されたインサート部材にネジ穴加工をすることで、インサートネジ穴３８としたものである。
【００５１】
この発明の実施の形態３に係るインサート付先進グリッド構造体は、この発明の実施の形態１および実施の形態２と同様に、グリッドサイドの交差領域部分とグリッドサイドが交差しない部分との比率を調整することにより低い熱膨張係数を持つ先進グリッド構造に設けた高い引き抜き強度を持つインサート構造において、アルミニウムやチタン等の金属材料よりも低い熱膨張係数を持つインバー合金をインサート部材の内部に一体成形してネジ穴を加工することで、機器や他の構体との接合の際の位置精度が高精度となる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体において、先進グリッド構造体を製造するためのテーププリプレグの平面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体において、インサート構造を製造するためのプリプレグの平面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体を製造するためのプリプレグの断面図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体の正面図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体の１つの正三角形状のグリッドを含む拡大図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体の正三角形状のグリッドと六角形状のグリッドを含む拡大図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体において、正三角形状のグリッドおよびインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数の測定装置を示す断面図である。
【図８】構造比を横軸にして、この発明の実施の形態１に係るインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数を表したグラフである。
【図９】この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体のインサート構造を製造するための拡大図である。
【図１０】この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体の正面図である。
【図１１】この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体の１つの正三角形状のグリッドを含む拡大図である。
【図１２】この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体の正三角形状のグリッドと六角形状のグリッドを含む拡大図である。
【図１３】構造比を横軸にして、この発明の実施の形態２に係るインサート付先進グリッド構造体の熱膨張係数を表したグラフである。
【図１４】この発明の実施の形態３に係るインサート付先進グリッド構造体において、インサート構造を製造するためのプリプレグの平面図である。
【図１５】この発明の実施の形態３に係るインサート付先進グリッド構造体のインサート構造の側面から見た断面図である。
【図１６】この発明の実施の形態３に係るインサート付先進グリッド構造体の他のインサート構造の側面から見た断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ ０度方向グリッドサイド、２ ＋６０度方向グリッドサイド、３ −６０度方向グリッドサイド、４ 正三角形状のグリッド、５ 六角形状のグリッド、６ インサート部材、７ インサート穴、８ 第一の交差領域、９ 第二の交差領域、１０ 第三の交差領域、１１ 交差領域間の距離、１２ 節点、１３ 基準辺、１４ ０度方向炭素繊維テーププリプレグ、１５ 基準辺、１６ ＋６０度方向炭素繊維テーププリプレグ、１７ 基準辺、１８ −６０度方向炭素繊維テーププリプレグ、１９ 正三角形領域、２０ 集合領域、２１ 基準辺、２２ ０度方向炭素繊維プリプレグ、２３ 基準辺、２４ ＋６０度方向炭素繊維プリプレグ、２５ 基準辺、２６ −６０度方向炭素繊維プリプレグ、２７ シリコーンゴム、２８ 成形板、２９ 測定サンプル、３０ サンプル支持台、３１ 恒温槽、３２ レーザ反射鏡、３３ レーザフォーカス変位計、３４ インサート部材、３５ インサート穴、３６ 接着剤、３７ インバー合金プレート、３８ インサートネジ穴。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の方向に等間隔に並べられた炭素繊維が長尺方向に配向された第一のテーププリプレグ群、上記第一の方向に対して反時計方向に６０度傾斜した第二の方向に等間隔に並べられた炭素繊維が長尺方向に配向された第二のテーププリプレグ群、および上記第一の方向に対して時計方向に６０度傾斜した第三の方向に等間隔に並べられた炭素繊維が長尺方向に配向された第三のテーププリプレグ群が、互いに２つのテーププリプレグ群が重なり且つ３つのテーププリプレグ群が同じ位置で重ならないようにそれぞれ順に積層されるとともに、上記第一のテーププリプレグ、上記第二のテーププリプレグおよび上記第三のテーププリプレグから構成される正三角形領域からテーププリプレグの交差領域を除いた集合領域の形状で、上記第一の方向に炭素繊維が一方向に配向された第一のプリプレグシート群、上記第一の方向に対して反時計方向に６０度傾斜した第二の方向に炭素繊維が一方向に配向された第二のプリプレグシート群、および上記第一の方向に対して時計方向に６０度傾斜した第三の方向に炭素繊維が一方向に配向された第三のプリプレグシート群が上記集合領域にそれぞれ順に積層されて加圧下で加熱されることにより成形され、且つ３つのグリッドサイド群によって囲まれたインサート部材に穴加工されたインサート付先進グリッド構造体において、
上記第一のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第一のグリッドサイド群、上記第二のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第二のグリッドサイド群、および上記第三のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第三のグリッドサイド群の中で、上記第二のグリッドサイド群と上記第三のグリッドサイド群とが交差する領域の中心点と当該交差する領域に最近接の上記第二のグリッドサイド群と上記第三のグリッドサイド群とが交差する領域の中心点との間隔でグリッドサイド幅を除算して得られる構造比が所定の範囲内であるとともに、３つのグリッドサイド群によって囲まれた上記インサート部材が炭素繊維強化プラスチック構造であることにより、熱膨張係数が−０．９ｐｐｍ／Ｋ以上且つ０．９ｐｐｍ／Ｋ以下であることを特徴とするインサート付先進グリッド構造体。
【請求項２】
第一の方向に等間隔に並べられた炭素繊維が長尺方向に配向された第一のテーププリプレグ群、上記第一の方向に対して反時計方向に６０度傾斜した第二の方向に等間隔に並べられた炭素繊維が長尺方向に配向された第二のテーププリプレグ群、および上記第一の方向に対して時計方向に６０度傾斜した第三の方向に等間隔に並べられた炭素繊維が長尺方向に配向された第三のテーププリプレグ群が、互いに２つのテーププリプレグ群が重なり且つ３つのテーププリプレグ群が同じ位置で重ならないようにそれぞれ順に積層されて加圧下で加熱されることにより成形された先進グリッド構造体の３つのグリッドサイド群によって囲まれた正三角形の空間に、正三角柱形状の成形型に炭素繊維を０度方向、＋６０度方向、−６０度方向に擬似等方になるようにプリプレグを積層して加圧下で加熱することにより成形された炭素繊維強化プラスチック構造のインサート部材を接着剤で接着し、インサート部材に穴加工されたインサート付先進グリッド構造体において、
上記第一のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第一のグリッドサイド群、上記第二のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第二のグリッドサイド群、および上記第三のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第三のグリッドサイド群の中で、上記第二のグリッドサイド群と上記第三のグリッドサイド群とが交差する領域の中心点と当該交差する領域に最近接の上記第二のグリッドサイド群と上記第三のグリッドサイド群とが交差する領域の中心点との間隔でグリッドサイド幅を除算して得られる構造比が所定の範囲内であるとともに、インサート部材が３つのグリッドサイド群によって囲まれた正三角形の空間に接する正三角形状構造の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を有する炭素繊維強化プラスチック構造であることにより、熱膨張係数が−０．９ｐｐｍ／Ｋ以上且つ０．９ｐｐｍ／Ｋ以下であることを特徴とするインサート付先進グリッド構造体。
【請求項３】
インサート部材の穴が位置精度の高精度なネジ穴となるよう加工されることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか一項に記載のインサート付先進グリッド構造体。
【請求項１】
第一の方向に等間隔に並べられた炭素繊維が長尺方向に配向された第一のテーププリプレグ群、上記第一の方向に対して反時計方向に６０度傾斜した第二の方向に等間隔に並べられた炭素繊維が長尺方向に配向された第二のテーププリプレグ群、および上記第一の方向に対して時計方向に６０度傾斜した第三の方向に等間隔に並べられた炭素繊維が長尺方向に配向された第三のテーププリプレグ群が、互いに２つのテーププリプレグ群が重なり且つ３つのテーププリプレグ群が同じ位置で重ならないようにそれぞれ順に積層されるとともに、上記第一のテーププリプレグ、上記第二のテーププリプレグおよび上記第三のテーププリプレグから構成される正三角形領域からテーププリプレグの交差領域を除いた集合領域の形状で、上記第一の方向に炭素繊維が一方向に配向された第一のプリプレグシート群、上記第一の方向に対して反時計方向に６０度傾斜した第二の方向に炭素繊維が一方向に配向された第二のプリプレグシート群、および上記第一の方向に対して時計方向に６０度傾斜した第三の方向に炭素繊維が一方向に配向された第三のプリプレグシート群が上記集合領域にそれぞれ順に積層されて加圧下で加熱されることにより成形され、且つ３つのグリッドサイド群によって囲まれたインサート部材に穴加工されたインサート付先進グリッド構造体において、
上記第一のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第一のグリッドサイド群、上記第二のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第二のグリッドサイド群、および上記第三のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第三のグリッドサイド群の中で、上記第二のグリッドサイド群と上記第三のグリッドサイド群とが交差する領域の中心点と当該交差する領域に最近接の上記第二のグリッドサイド群と上記第三のグリッドサイド群とが交差する領域の中心点との間隔でグリッドサイド幅を除算して得られる構造比が所定の範囲内であるとともに、３つのグリッドサイド群によって囲まれた上記インサート部材が炭素繊維強化プラスチック構造であることにより、熱膨張係数が−０．９ｐｐｍ／Ｋ以上且つ０．９ｐｐｍ／Ｋ以下であることを特徴とするインサート付先進グリッド構造体。
【請求項２】
第一の方向に等間隔に並べられた炭素繊維が長尺方向に配向された第一のテーププリプレグ群、上記第一の方向に対して反時計方向に６０度傾斜した第二の方向に等間隔に並べられた炭素繊維が長尺方向に配向された第二のテーププリプレグ群、および上記第一の方向に対して時計方向に６０度傾斜した第三の方向に等間隔に並べられた炭素繊維が長尺方向に配向された第三のテーププリプレグ群が、互いに２つのテーププリプレグ群が重なり且つ３つのテーププリプレグ群が同じ位置で重ならないようにそれぞれ順に積層されて加圧下で加熱されることにより成形された先進グリッド構造体の３つのグリッドサイド群によって囲まれた正三角形の空間に、正三角柱形状の成形型に炭素繊維を０度方向、＋６０度方向、−６０度方向に擬似等方になるようにプリプレグを積層して加圧下で加熱することにより成形された炭素繊維強化プラスチック構造のインサート部材を接着剤で接着し、インサート部材に穴加工されたインサート付先進グリッド構造体において、
上記第一のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第一のグリッドサイド群、上記第二のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第二のグリッドサイド群、および上記第三のテーププリプレグ群と同方向であるとともにグリッド群の一辺を構成する第三のグリッドサイド群の中で、上記第二のグリッドサイド群と上記第三のグリッドサイド群とが交差する領域の中心点と当該交差する領域に最近接の上記第二のグリッドサイド群と上記第三のグリッドサイド群とが交差する領域の中心点との間隔でグリッドサイド幅を除算して得られる構造比が所定の範囲内であるとともに、インサート部材が３つのグリッドサイド群によって囲まれた正三角形の空間に接する正三角形状構造の熱膨張係数よりも低い熱膨張係数を有する炭素繊維強化プラスチック構造であることにより、熱膨張係数が−０．９ｐｐｍ／Ｋ以上且つ０．９ｐｐｍ／Ｋ以下であることを特徴とするインサート付先進グリッド構造体。
【請求項３】
インサート部材の穴が位置精度の高精度なネジ穴となるよう加工されることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか一項に記載のインサート付先進グリッド構造体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１０−２３３６６（Ｐ２０１０−２３３６６Ａ）
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８８５８０（Ｐ２００８−１８８５８０）
【出願日】平成２０年７月２２日（２００８．７．２２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月２２日（２００８．７．２２）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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