三次元繊維構造体
【課題】 力学特性に優れ、その力学特性の推定が容易な有底円筒形状の構造を有する繊維強化複合材の骨格材として適した三次元繊維構造体を提供する。
【解決手段】 有底円筒状に形成された三次元繊維構造体Ｗは、筒部２及び底部１が、所定方向に配列された繊維束Ｆからなる複数の糸層を積層して形成された疑似等方性の配向となる積層糸群３を有し、積層糸群３は各糸層と直交する方向に配列された厚さ方向糸によって結合されている。底部１は±３０°及び９０°の３方向に配列された繊維束Ｆで疑似等方性に構成され、筒部２は０°、±４５°及び９０°の４方向に配列された繊維束で疑似等方性に構成されている。底部１に配列された繊維束Ｆは筒部２に配列された繊維束Ｆと連続している。
【解決手段】 有底円筒状に形成された三次元繊維構造体Ｗは、筒部２及び底部１が、所定方向に配列された繊維束Ｆからなる複数の糸層を積層して形成された疑似等方性の配向となる積層糸群３を有し、積層糸群３は各糸層と直交する方向に配列された厚さ方向糸によって結合されている。底部１は±３０°及び９０°の３方向に配列された繊維束Ｆで疑似等方性に構成され、筒部２は０°、±４５°及び９０°の４方向に配列された繊維束で疑似等方性に構成されている。底部１に配列された繊維束Ｆは筒部２に配列された繊維束Ｆと連続している。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は三次元繊維構造体に係り、詳しくは有底円筒状構造を有する三次元繊維構造体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】繊維強化複合材は軽量の構造材料として広く使用されている。複合材用補強基材として三次元織物（三次元繊維構造体）がある。この三次元織物を骨格材として、樹脂あるいは無機物をマトリックスとした複合材はロケット、航空機、自動車、船舶及び建築物の構造材として幅広い用途が期待されている。
【０００３】三次元繊維構造体の製造方法として、多数のピン又は糸案内管が配列されたベースプレートあるいは支持枠上に、糸（繊維束）をピン又は糸案内管で折り返しながら配列して形成した糸層を複数積層して積層糸群を形成し、厚さ方向に配列される糸により各糸層を結合する方法がある。しかし、板材以外の立体的な構造物の骨格材となる大型で複雑な形状の三次元繊維構造体を製造するのは難しく手間がかかるため、三次元繊維構造体としては単純な形状のものしかない。
【０００４】特開昭６１−２０１０６３号公報には、ベースプレートの形状を変えることにより、円筒状の三次元繊維構造体や図１２に示すような、円錐台筒状、ドーム状の三次元繊維構造体Ｗが得られることが開示されている。しかし、形状が有底円筒状の三次元繊維構造体Ｗは従来なかった。
【０００５】有底円筒状の繊維強化複合材の骨格材の製造方法として、図１１（ａ）〜（ｄ）に示すように、糸５１が互いに直交する状態で織成された平織物又は繻子織物からなるクロス材（布）５２を、円筒状の治具５３の端部を基準にして順次積層した後、適宜の箇所を手作業によって糸で縫い合わせる方法がある。図１１（ｃ），（ｄ）はクロス材５２を治具５３の上に配置するときの、クロス材５２を構成する糸５１の配列方向を示す模式図である。糸５１の配列方向は図１１（ｃ）に示す０°（図１１（ｃ）における左右方向）、９０°（図１１（ｃ）における上下方向）、図１１（ｄ）に示す±４５°の配列方向がある。そして、図１１（ｃ）及び図１１（ｄ）に示す状態が交互になるようにして所定枚数のクロス材５２が積層される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】前記クロス材５２を積層して形成された有底円筒状の骨格材は、底部の糸の配列は０°、９０°、±４５に正確に設定できる。しかし、図１１（ｂ）に示すように、底部における配列が０°及び９０°のクロス材５２を治具５３の円筒部５４に皺が無い状態に沿わせると、円筒部における糸５１の配列は０°及び９０°の他に不確定な角度で配列される部分が混在する状態となる。その結果、複合材とした場合に、強度、弾性率等の力学的特性の推定が困難であるという問題がある。また、治具５３の円筒部５４にクロス材５２を皺がないように沿わせることも難しい。さらに、クロス材５２では配列方向が異なる糸５１が同一平面上に存在するため、糸５１は配列方向の異なる糸と対応する部分で屈曲した状態で配列される。従って、真っ直ぐに配列された糸に比較して、複合材の強度を高める効果が小さいという問題がある。
【０００７】本発明は前記の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は力学特性に優れ、その力学特性の推定が容易となる有底円筒形状の構造を有する繊維強化複合材の骨格材として適した三次元繊維構造体を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、円筒状の筒部とその一端を塞ぐ底部とを備えた三次元繊維構造体であって、前記筒部及び底部が、所定方向に配列された繊維束からなる複数の糸層を積層して形成された疑似等方性の配向となる積層糸群と、各糸層と直交する方向に配列されて前記積層糸群を結合する厚さ方向糸とを含み、かつ底部に配列された繊維束は筒部に配列された繊維束と連続している。
【０００９】請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記筒部は軸方向に対して０°、＋４５°、−４５°及び９０°の４方向に配列された繊維束で疑似等方性に構成され、前記底部は＋３０°、−３０°及び９０°の３方向に配列された繊維束で疑似等方性に構成されている。
【００１０】請求項３に記載の発明では、請求項１又は請求項２に記載の２個の有底筒状の三次元繊維構造体が、その底部が互いに当接する状態に配置され、その筒部の周囲に疑似等方性に構成された筒状の積層糸群が配置され、各筒部を貫通する厚さ方向糸で各筒部を構成する積層糸群が結合されている。
【００１１】従って、請求項１に記載の発明の三次元繊維構造体は、筒部及び底部がそれぞれ疑似等方性の配向となる積層糸群を厚さ方向糸で結合した構成のため、クロス材を積層して糸で縫ったものに比較して、複合材としたときの強度に優れ、力学特性の推定が容易となる。また、底部に配列された繊維束は筒部に配列された繊維束と連続しているため、三次元繊維構造体自身の形態安定性が向上し、取り扱いが容易となる。
【００１２】請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、底部は＋３０°、−３０°及び９０°の３方向に配列された繊維束で構成されているため、同じ強度で疑似等方性とするのに必要な繊維束の量が、０°、＋４５°、−４５°及び９０°の４方向に配列された繊維束で疑似等方性とする場合に比較して少なくなる。
【００１３】請求項３に記載の発明では、円筒の中間部に軸方向と直交する区画壁が形成された構造の三次元繊維構造体を、請求項１又は請求項２に記載の２個の有底筒状の三次元繊維構造体に基づいて簡単に得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図１〜図８に従って説明する。図１（ａ）は有底円筒状の三次元繊維構造体Ｗの底部１を上にした模式斜視図である。図１（ｂ）はその底部１及び筒部２を構成する繊維束Ｆの配列を示す模式図である。
【００１５】三次元繊維構造体Ｗの底部１及び筒部２はそれぞれ所定方向に配列された繊維束Ｆからなる複数の糸層３ａ〜３ｇを積層して形成された疑似等方性の配向となる積層糸群３を有する。各糸層３ａ〜３ｃ及び各糸層３ｄ〜３ｇはそれぞれ糸層と直交して積層糸群３の厚さ方向に配列される厚さ方向糸ｚ（図２（ａ），（ｂ）に図示）により結合されている。厚さ方向糸ｚは三次元繊維構造体Ｗの外側から各糸層３ａ〜３ｃ及び各糸層３ｄ〜３ｇを貫いて折り返し状に配列されるとともに、折り返しループ４に厚さ方向糸ｚと直交する方向に配列された抜け止め糸５により抜け止めされた状態で配列されている。
【００１６】図１（ｂ）、図３（ｂ）、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、底部１を構成する積層糸群３は、繊維束Ｆの配向角が９０°に配列された糸層３ａと、配向角が＋３０°に配列された糸層３ｂと、配向角が−３０°に配列された糸層３ｃとが所定数積層されて疑似等方性に構成されている。この実施の形態では図２（ａ）に示すように、各糸層３ａ〜３ｃがそれぞれ２層ずつ、合計６層で積層糸群３が構成されている。また、各糸層３ａ〜３ｃは厚さ方向の中央（中立面）を境に鏡面対称となるように配列されている。この実施の形態では外側に配向角が＋３０°に配列された繊維束Ｆの糸層３ｂが配置され、中央側に配向角が−３０°に配列された繊維束Ｆの糸層３ｃが配置されている。そして、両糸層３ｂ，３ｃの間に配向角が９０°に配列された繊維束Ｆの糸層３ａがそれぞれ配置されている。
【００１７】筒部２を構成する積層糸群３は、繊維束Ｆの配向角が０°に配列された糸層３ｄと、繊維束Ｆの配向角が９０°に配列された糸層３ｅと、配向角が＋４５°に配列された糸層３ｆと、配向角が−４５°に配列された糸層３ｇとが所定数積層されて疑似等方性に構成されている。この実施の形態では図２（ｂ）に示すように、各糸層３ｄ〜３ｇがそれぞれ２層ずつ、合計８層で積層糸群３が構成されている。また、各糸層３ｄ〜３ｇは厚さ方向の中央を境に鏡面対称となるように配列されている。この実施の形態では外側に配向角が＋４５°に配列された繊維束Ｆの糸層３ｆが配置され、中央側に配向角が−４５°に配列された繊維束Ｆの糸層３ｇが配置されている。そして、両糸層３ｆ，３ｇの間に、配向角が９０°に配列された繊維束Ｆの糸層３ｅと、配向角が０°に配列された繊維束Ｆの糸層３ｄとがそれぞれ配置されている。
【００１８】図３（ａ）に示すように、筒部２を構成する配向角が０°に配列された繊維束Ｆは、１本の繊維束Ｆが周方向に順次配列位置をずらした状態で配列することにより形成されている。従って、厳密にいえば配向角は０°ではないが、実質的に０°である。
【００１９】図３（ｂ）に示すように、筒部２を構成する配向角θが９０°に配列された繊維束Ｆと、底部１を構成する配向角θが９０°に配列された繊維束Ｆとは、１本の同じ繊維束Ｆで構成されている。繊維束Ｆは一部が筒部２の両端で折り返し、一部が筒部２と底部１とに跨って位置するように配列されている。
【００２０】図４（ａ）に示すように、筒部２を構成する配向角θが＋４５°に配列された繊維束Ｆと、底部１を構成する配向角θが＋３０°に配列された繊維束Ｆとは、１本の同じ繊維束Ｆで構成されている。繊維束Ｆは一部が筒部２の両端で折り返し、一部が筒部２と底部１とに跨る状態で、かつその配向角θが所定の角度となるように配列されている。
【００２１】図４（ｂ）に示すように、筒部２を構成する配向角θが−４５°に配列された繊維束Ｆと、底部１を構成する配向角θが−３０°に配列された繊維束Ｆとは、１本の同じ繊維束Ｆで構成されている。繊維束Ｆは一部が筒部２の両端で折り返し、一部が筒部２と底部１とに跨る状態で、かつその配向角θが所定の角度となるように配列されている。従って、この実施の形態の三次元繊維構造体Ｗは、底部１に配列された繊維束Ｆは筒部２に配列された繊維束Ｆと必ず連続した状態で配列されている。
【００２２】なお、図３（ａ），（ｂ）及び図４（ａ），（ｂ）では繊維束Ｆの配列を分かり易くするため、繊維束Ｆの間隔を広く表してしているが、実際は配列後の繊維束Ｆは互いに接触する程度に近接して配列される。また、筒部２における配向角θとは三次元繊維構造体Ｗの軸と直交する平面に対する繊維束Ｆのなす角度を意味する。底部１における配向角θは三次元繊維構造体Ｗの軸を含む基準面に対する繊維束Ｆのなす角度を意味し、筒部２における配向角θを基準にして設定されている。
【００２３】各繊維束Ｆを構成する繊維の材質としては複合材の用途（要求物性）に応じてカーボン繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、ポリアラミド繊維等種々のものが使用される。この実施の形態においては、各繊維束Ｆとしてカーボン繊維のロービング（トウ）が使用されている。ロービング（トウ）とは細い単繊維のフィラメントを多数本束ねた実質無撚りの繊維束を意味する。従って、図２（ａ），（ｂ）では繊維束Ｆの長さ方向と直交する断面の形状を便宜上円として表しているが、実際は積層糸群３として積層された状態では扁平な楕円となる。
【００２４】次に前記のように構成された三次元繊維構造体Ｗの製造に使用する治具の構成を説明する。この治具は三次元繊維構造体Ｗの形状に対応した積層糸群３の配列と、配列された積層糸群３への厚さ方向糸ｚの挿入時における積層糸群３の保持とに使用される。
【００２５】図６〜図８に示すように、治具１１は互いに平行に配置された一組の円環状のリング部材１２，１３と、両リング部材１２，１３間に互いに近接して配設されて円筒部を形成する複数の第１及び第２のプレート１４，１５とを備えている。両リング部材１２，１３は同じ外径に形成されるとともに、各プレート１４，１５がリング部材１２，１３に対して内側から取り外し可能に係合される段部１２ａ，１３ａ（図７及び図８に図示）を備えている。各プレート１４，１５の両端には段部１２ａ，１３ａと係合する段部が形成され、リング部材１２，１３間に取り付けられた状態でその外面が円筒の周面を形成するように、外面がリング部材１２，１３の外周面と同じ曲率に形成されている。各第１のプレート１４はリング部材１２，１３に係合されるとともに、ねじ（図示せず）を介してリング部材１２，１３に固定され、第２のプレート１５は段部１２ａ，１３ａとの嵌合によりリング部材１２，１３に固定されている。
【００２６】両リング部材１２，１３にはその端部外周部に、規制部材としての多数の規制ピン１６が所定ピッチで取り外し可能に固定されている。リング部材１２に固定された規制ピン１６は、リング部材１２の軸方向と直交する平面に対してほぼ４５°の角度をなすように固定され、リング部材１３に固定された規制ピン１６は、同じく軸方向と直交する平面に対して平行に固定されている。また、第１のプレート１４にも規制ピン１７が所定ピッチで取り外し可能に固定されている。
【００２７】次に前記のように構成された治具１１を使用して有底円筒状の三次元繊維構造体Ｗを製造する方法を説明する。規制ピン１６，１７が固定された治具１１の外側に所定の順序で繊維束Ｆを順次配列して積層糸群３を形成する。先ず、図４（ａ）に示すように、筒部２での配向角θが＋４５°、底部１での配向角θが＋３０°となるように、繊維束Ｆが規制ピン１６と係合して折り返すように配列される。繊維束Ｆは図のＳからスタートしてＥで終わるように、即ち、配列初期と終期において、繊維束Ｆは筒部２に対応する両端位置で折り返し、その他は筒部２と底部１とを交互に通過するようにして、底部１と反対側のリング部材１３に固定された規制ピン１６と係合して折り返すように配列される。
【００２８】次に図３（ｂ）に示すように、筒部２及び底部１での配向角θが９０°となるように、繊維束Ｆが規制ピン１６と係合して折り返すように配列される。この場合も繊維束Ｆは図のＳからスタートしてＥで終わるように、即ち、配列初期と終期において、繊維束Ｆは筒部２に対応する両端位置で折り返し、その他は筒部２と底部１とを交互に通過するようにして、底部１と反対側のリング部材１３に固定された規制ピン１６と係合して折り返す。
【００２９】次に図３（ａ）に示すように、筒部２での配向角θが０°となるように、筒部２の周方向に沿って繊維束Ｆが配列される。この場合繊維束Ｆは規制ピン１７と係合して折り返すことなく、図のＳからスタートしてＥで終わるように、プレート１４，１５によって構成される円筒面に対して一方向へ巻き付けるようにして配列される。プレート１４に固定された規制ピン１７は、繊維束Ｆが周方向と直交する方向にずれるのを規制する役割を果たす。
【００３０】次に図４（ｂ）に示すように、筒部２での配向角θが−４５°、底部１での配向角θが−３０°となるように、繊維束Ｆが規制ピン１６と係合して折り返すように配列される。この場合も繊維束Ｆは図のＳからスタートしてＥで終わるように、配列初期と終期において繊維束Ｆは筒部２に対応する両端位置で折り返し、その他は筒部２と底部１とを交互に通過するようにして、底部１と反対側のリング部材１３に固定された規制ピン１６と係合して折り返す。
【００３１】そして、前記と同じ順で再び繊維束Ｆが順次配列されて、底部１に糸層３ａ〜３ｃが合計３ｎ層（この実施の形態ではｎ＝２）、筒部２に糸層３ｄ〜３ｇが合計４ｎ層（この実施の形態ではｎ＝２）配列された有底円筒状の積層糸群３が形成される。繊維束Ｆの配列作業は、手作業あるいは多軸ロボットのアームに糸供給部を装備した装置により行われる。なお、積層糸群３の密度を高めるとともに厚さを調整するため、各糸層の配列が完了するたび、あるいは適宜の糸層が形成された時点毎に糸層をプレスプレート（図示せず）で押圧して積層糸群を圧縮してもよい。
【００３２】全ての糸層の配列終了後、図７及び図８に示すように、積層糸群３を保持した状態で治具１１を回転駆動される支持ブラケット１８に取り付けて、厚さ方向糸挿入装置により積層糸群３への厚さ方向糸ｚの挿入作業を行う。支持ブラケット１８は回転軸１９に対して一体回転可能に固定されるとともに、支持ブラケット１８に支持された治具１１の内側に手を差し入れることが可能な形状に形成されている。回転軸１９は図示しないモータにより間欠的に回転されるようになっている。
【００３３】厚さ方向糸挿入装置は、特開平８−２１８２４９号公報等に開示された装置と基本的に同様に構成され、複数本の厚さ方向糸挿入用の挿入針２０が一列に配設された針支持体２１が駆動機構により往復移動可能に構成されている。挿入針２０の本数は底部１の半径の１／２より少し短い長さに数ミリピッチで配列するのに必要な本数が設けられる。図７では模式的に４本図示されている。針支持体２１は挿入針２０の目に通された厚さ方向糸ｚが積層糸群３を貫通してループを形成することが可能な挿通位置と、挿入針２０が積層糸群３から離間する待機位置とに往復移動される。
【００３４】そして、底部１と対応する積層糸群３への厚さ方向糸ｚの挿入は、先ず図７に示すように、複数本の挿入針２０が底部１の外周寄りにおいて半径方向に沿って配列された所定位置で往復移動される。回転軸１９の回動が停止した状態で針支持体２１が往動されて挿入針２０が前進端に達した後、針支持体２１がわずかに後退され積層糸群３から挿入針２０の目に連なる厚さ方向糸ｚが抜け止め糸針（図示せず）の通過を許容するループを形成した状態となる。
【００３５】次に抜け止め糸針を使用して手作業で抜け止め糸５が前記ループに挿通される。その後、針支持体２１とともに挿入針２０が後退し、積層糸群３から離脱して待機位置に配置される。この状態で張力調整部（図示せず）の作用により厚さ方向糸ｚが引き戻され、積層糸群３内に挿入された厚さ方向糸ｚが抜け止め糸５により抜け止めされた状態で締付けられる。次に回転軸１９が所定角度回動され、挿入針２０が次の厚さ方向糸挿入位置と対向する状態となる。以下、前記と同様にして順次厚さ方向糸ｚの挿入サイクルが実行される。そして、回転軸１９が１回転した状態で底部１の外周寄りの部分に対する厚さ方向糸ｚの挿入作業が完了する。
【００３６】次に針支持体２１の位置が底部１の中心寄りに移動され、その状態で再び、厚さ方向糸ｚの挿入作業が行われる。厚さ方向糸ｚの挿入ピッチを外周寄りと中心寄りとでほぼ同じにするため、中心寄りの位置における厚さ方向糸ｚの挿入作業時には、間欠的に回動される回転軸１９の１回毎の回動角は外周寄りの位置における挿入作業時より大きくなる。そして、前記と同様にして厚さ方向糸ｚの挿入が行われて底部１への厚さ方向糸ｚの挿入が完了すると、図５に示すように、底部には厚さ方向糸ｚが同心円状に配列された状態となる。
【００３７】次に積層糸群３の筒部２への厚さ方向糸ｚの挿入が行われる。筒部２への厚さ方向糸ｚの挿入作業を行う前に、第１のプレート１４に固定されている規制ピン１７が全部取り外される。そして、図８に示すように、挿入針２０が積層糸群３の筒部２と対向する状態となるように配置される。なお、規制ピン１７の取り外し作業は、底部１への厚さ方向糸の挿入作業前に行ってもよい。
【００３８】そして、厚さ方向糸ｚの挿入箇所と対応する位置に固定されている第１のプレート１４又は第２のプレート１５が順次取り外された状態で、底部１への厚さ方向糸ｚの挿入と同様にして厚さ方向糸ｚの挿入が行われる。そして、挿入針２０が１往復されると、回転軸が所定角度回動されて次の厚さ方向糸挿入位置が挿入針２０と対向する状態となる。第１のプレート１４又は第２のプレート１５が取り外された箇所と対応する位置が挿入針２０と対向しない状態になると、取り外されていた第１のプレート１４又は第２のプレート１５が当該位置に再び固定され、次の第１のプレート１４又は第２のプレート１５が取り外されて厚さ方向糸ｚの挿入が行われる。以下、順次厚さ方向糸ｚの挿入が行われて回転軸１９が１回転すると、１周分の挿入作業が完了する。次に挿入針２０の位置が図８に示す位置から下方へ移動された後、再び前記と同様にして厚さ方向糸ｚの挿入が行われる。
【００３９】必要な箇所への厚さ方向糸ｚの挿入が完了すると、三次元繊維構造体Ｗが完成する。そして、治具１１が支持ブラケット１８から取り外された後、規制ピン１６がリング部材１２，１３から取り外されるとともに、各プレート１４，１５がリング部材１２，１３から取り外されて治具１１が分解され、三次元繊維構造体Ｗの製造が完了する。
【００４０】前記のように構成された三次元繊維構造体Ｗは繊維強化複合材の強化材（骨格材）として使用され、マトリックスとして樹脂や無機物が使用される。例えばマトリックスとして樹脂を使用する場合には三次元繊維構造体Ｗに樹脂（例えばエポキシ樹脂）が含浸された後、硬化されて繊維強化複合材が完成する。また、例えば、マトリックスが無機物であるカーボン／カーボン複合材を構成する場合は、三次元繊維構造体Ｗに樹脂を含浸、硬化させた後、焼成して製作する。
【００４１】この実施の形態では以下の効果を有する。
（１） 有底円筒状の三次元繊維構造体Ｗの筒部２及び底部１が、所定方向に配列された繊維束Ｆからなる複数の糸層３ａ〜３ｃ、３ｄ〜３ｇを積層して形成された疑似等方性の配向となる積層糸群３を、各糸層３ａ〜３ｃ、３ｄ〜３ｇと直交する方向に配列された厚さ方向糸ｚにより結合することにより形成されている。従って、クロス材を重ねた場合に比較して糸層の数が同じ場合強度が向上する。また、有底円筒形状の構造を有する力学特性に優れた繊維強化複合材が得られるとともに、その力学特性の推定が容易となる。
【００４２】（２） 三次元繊維構造体Ｗの底部１に配列された繊維束Ｆは筒部２に配列された繊維束Ｆと連続している。従って、底部１あるいは筒部２に作用した力が他の部分に円滑に伝達され、応力集中が生じ難い。
【００４３】（３） 底部１が＋３０°、−３０°及び９０°の３方向に配列された繊維束Ｆで疑似等方性に構成されているため、底部１を同じ強度で疑似等方性とするのに必要な繊維束Ｆの量が、０°、＋４５°、−４５°及び９０°の４方向に配列された繊維束Ｆで疑似等方性とする場合に比較して少なくなる。
【００４４】（４） 最外層及び最内層を構成する糸層が、繊維束Ｆが斜め方向に配列された糸層（この実施の形態では糸層３ｂ及び糸層３ｆ）で形成されているため、繊維束Ｆが０°又は９０°で配列された糸層３ｄ又は３ａ，３ｅで形成した場合と比較して、最外層及び最内層に配列された繊維束Ｆの密度が高くなり、表面の平滑性が向上する。
【００４５】（５） 厚さ方向糸ｚが三次元繊維構造体Ｗの外側から折り返し状に積層糸群３に挿入され、内側で抜け止め糸５により抜け止めされた構成のため、厚さ方向糸ｚを内側から挿入する構成に比較して、厚さ方向糸挿入装置による挿入が容易になる。
【００４６】（６） 底部１を構成する各糸層３ａ〜３ｃ及び筒部２を構成する各糸層３ｄ〜３ｇがそれぞれ厚さ方向の中立面に対してほぼ鏡面対称に配置されているため、複合材を形成した際に反りが生じ難くなる。
【００４７】（７） 各糸層３ａ〜３ｇを構成する繊維束Ｆとして、少なくとも一つの糸層の繊維束Ｆの配列に１本の繊維束Ｆが途中で切断されずに使用されているため、各糸層を構成する繊維束Ｆを適切な張力を付与した状態で配列するのが容易となり、複合材としたときの物性の向上に寄与する。
【００４８】（８） 底部１に対する厚さ方向糸ｚの挿入は、複数本の挿入針２０が半径方向に一列に配列された状態で往復移動され、治具１１とともに積層糸群３が間欠的に回動されて厚さ方向糸ｚを挿入すべき箇所が順次挿入針２０と対応する状態となる。従って、挿入針２０が往復移動する位置を順次変更する構成に比較して厚さ方向糸挿入装置の構成が簡単になる。
【００４９】（９） 円筒状の治具１１の筒部の大半が、内側から取り外し可能に構成された複数の第１及び第２のプレート１４，１５により構成されているため、積層糸群３の筒部２を構成する繊維束Ｆを正確に円筒状に配列することができ、しかも厚さ方向糸ｚの挿入に支障を来さない。
【００５０】（１０） 治具１１を構成する第１のプレート１４に規制ピン１７が所定ピッチで着脱可能に固定されているため、筒部２を構成する配向角θが０°の繊維束Ｆを配列する際に、繊維束Ｆが周方向と直交する方向にずれるのが規制され、複合材としたときの物性の向上に寄与する。
【００５１】（第２の実施の形態）次に第２の実施の形態を図９及び図１０に基づいて説明する。この実施の形態では三次元繊維構造体Ｗの形状が前記実施の形態の三次元繊維構造体Ｗと異なっている。三次元繊維構造体Ｗは円筒の中間部に軸方向と直交する区画壁が形成された構造となっている。また、使用する治具１１のリング部材１２に固定される規制ピン１６は、リング部材１２の軸方向と直交する平面に対して平行に固定されている点が前記実施の形態の治具１１と異なっている。
【００５２】この形状の三次元繊維構造体Ｗを製造する場合は、先ず前記実施の形態と同様にして有底円筒状の積層糸群３を２個形成する。次に図９に示すように、治具１１に保持された状態の積層糸群３の底部１を当接させた状態に配置し、その状態で円筒の底部１と対応する位置に厚さ方向糸ｚを挿入する。次に規制ピン１７を取り外して、筒部２と対応する位置に厚さ方向糸ｚを挿入する。このとき厚さ方向糸ｚの挿入密度を前記実施の形態の筒部２の挿入密度のほぼ半分とする。その結果、２個の有底円筒の底部が当接された形状の中間体が形成される。
【００５３】次に図１０に示すように、両有底円筒の筒部２の外側に新たに円筒状に疑似等方性の積層糸群６を形成する。その後、筒部２に厚さ方向糸ｚを挿入する。厚さ方向糸ｚは既に挿入されている厚さ方向糸ｚと同程度の挿入密度で挿入される。そして、厚さ方向糸ｚの挿入後、両治具１１を分解すると所望の三次元繊維構造体Ｗが得られる。外側に配列される円筒部の疑似等方性の積層糸群６を構成する繊維束は、配向角θの組合せが＋３０°、−３０°及び９０°の３方向あるいは０°、＋４５°、−４５°及び９０°の４方向のいずれであってもよい。
【００５４】なお、実施の形態は前記に限定されるものでなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 底部１も筒部２と同様に配向角θが０°、＋４５°、−４５°及び９０°の４方向に配列された繊維束Ｆで疑似等方性に構成してもよい。この構成とするには図４R>４（ａ）に示す配列パターンにおいて、筒部２を構成する配向角θが＋４５°に配列された繊維束Ｆの底部１における配向角θを＋３０°から＋４５°に変更し、図４（ｂ）に示す配列パターンにおいて、筒部２を構成する配向角θが−４５°に配列された繊維束Ｆの底部１における配向角θを−３０°から−４５°に変更する。また、図３（ｂ）に示す配列パターンにおいて、底部１を９０°回転させて底部１における配向角θが０°で、筒部２における配向角θが９０°の繊維束Ｆからなる糸層を新たに設ける。筒部２を構成する配向角θが０°の繊維束Ｆは図３（ａ）に示す配列パターンと同じにする。この場合、筒部２を構成する配向角θが９０°の繊維束Ｆからなる糸層３ｅの比率が前記実施の形態の三次元繊維構造体Ｗに比較して多くなる。その結果、複合材を製作したときに、円筒の軸方向に対する圧縮強度が強くなる。
【００５５】○ 底部１と筒部２の両方を配向角θが０°、＋３０°及び−３０°の３方向に配列された繊維束Ｆで疑似等方性に構成してもよい。この構成は筒部２における配向角θが０°の繊維束Ｆの糸層３ｄを無くし、図４（ａ）及び図４（ｂ）にの筒部２における繊維束の配向角θをそれぞれ＋３０°及び−３０°にする。
【００５６】○ 底部１及び筒部２を構成する糸層の厚さ方向における配置は、厚さ方向の中立面に対して鏡面対称に限らず、疑似等方性を構成する配向角θの組合せの糸層が存在すればよい。
【００５７】○ 厚さ方向糸ｚは外側から内側に向かって折り返し状に挿入する代わりに、内側から外側に向かって折り返し状に挿入して抜け止め糸５を外側に配置してもよい。また、抜け止め糸５を使用せずに厚さ方向糸ｚの挿入針を積層糸群３を外側から内側へ、内側から外側へと交互に貫通させて、厚さ方向糸ｚを蛇行状態で配列させてもよい。
【００５８】○ 厚さ方向糸ｚの挿入ピッチは図２（ａ），（ｂ）に示すように配向角θが±３０°又は±４５°の繊維束Ｆの配列ピッチと等しい必要はなく、適宜変更してもよい。
【００５９】○ 積層糸群３を鏡面対称に配置する構成において、中立面に配列される繊維束Ｆを２回に分けて配列する代わりに、２本分に相当する繊維束Ｆを１回で配列してもよい。しかし、２回に分けて配列する方が、繊維束Ｆを２種類準備したり、途中で繊維束Ｆの交換を行ったりする必要がないため好ましい。また、複合材としたときの強度も、２回に分けて配列したものの方が良くなる。
【００６０】○ 治具１１に着脱可能に固定される規制ピン１７を省略してもよい。規制ピン１７は筒部２を構成する配向角θが０°の繊維束Ｆを配列する際に、繊維束Ｆが周方向と直交する方向にずれるのを規制するが、張力を適正に調整して配列すれば規制ピン１７がなくても所定の位置に正確に配列することはできる。
【００６１】○ 前記実施の形態の三次元繊維構造体Ｗでは治具１１のリング部材１２，１３と対応する部分には厚さ方向糸ｚが挿入されていないが、治具１１から取り外した後、当該部分に厚さ方向糸ｚを挿入してもよい。
【００６２】前記実施の形態から把握できる請求項記載以外の発明（技術的思想）について、以下にその効果とともに記載する。
（１） 円筒状の筒部とその一端を塞ぐ底部とを備えた三次元繊維構造体であって、前記底部が０°、＋４５°、−４５°及び９０°の４方向に配列された繊維束からなる複数の糸層を積層して形成された疑似等方性の配向となる積層糸群と、各糸層と直交する方向に配列されて前記積層糸群を結合する厚さ方向糸とを含み、前記筒部が０°、＋４５°、−４５°及び９０°の４方向に配列された繊維束からなり、かつ９０°の方向に配列された繊維束の量が疑似等方性の配向より多い複数の糸層を積層して形成された積層糸群と、各糸層と直交する方向に配列されて前記積層糸群を結合する厚さ方向糸とを含み、かつ底部に配列された繊維束は筒部に配列された繊維束と連続している三次元繊維構造体。この場合、筒部を構成する繊維束のうち、筒部の軸方向と平行に延びる繊維束の比率が多くなり、複合材としたときの軸方向への圧縮強度が向上する。
【００６３】（２） 円環状の一組のリング部材と、両リング部材間に互いに近接して配設されて円筒部を形成するとともに、前記両リング部材の内側から取り外し可能に設けられた複数のプレートとを備え、各プレートの外周面の曲率が前記リング部材の外周面の曲率と同じに形成され、少なくとも前記両リング部材には所定ピッチで規制部材（規制ピン）が周方向に沿って着脱可能に固定されている繊維束（糸）配列用の治具。この治具を使用すると有底円筒状の三次元繊維構造体の製造が容易になる。
【００６４】
【発明の効果】以上詳述したように請求項１〜請求項３に記載の発明の三次元繊維構造体を骨格材として繊維強化複合材を形成すれば、有底円筒形状の構造を有する力学特性に優れた繊維強化複合材が得られるとともに、その力学特性の推定が容易となる。
【００６５】請求項２に記載の発明によれば、底部を同じ強度で疑似等方性とするのに必要な繊維束の量が、０°、＋４５°、−４５°及び９０°の４方向に配列された繊維束で疑似等方性とする場合に比較して少なくなる。
【００６６】請求項３に記載の発明によれば、円筒の中間部に軸方向と直交する区画壁が形成された構造の三次元繊維構造体を、請求項１又は請求項２に記載の２個の有底筒状の三次元繊維構造体に基づいて簡単に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は第１の実施の形態の三次元繊維構造体の模式斜視図、（ｂ）は底部及び筒部の繊維束の配列を示す模式図。
【図２】 （ａ）は底部の部分模式断面図、（ｂ）は筒部の部分拡大模式断面図。
【図３】 （ａ）は筒部を構成する配向角０°の繊維束の配列を示し、（ｂ）は底部及び筒部を構成する配向角９０°の繊維束の配列を示す模式展開図。
【図４】 （ａ）は配向角が３０°で底部を構成し配向角が４５°で筒部を構成する繊維束の、（ｂ）は配向角が−３０°で底部を構成し配向角が−４５°で筒部を構成する繊維束の配列をそれぞれ示す模式展開図。
【図５】 底部に対する厚さ方向糸の配列状態を示す模式図。
【図６】 治具の模式斜視図。
【図７】 積層糸群の底部への厚さ方向糸の挿入状態を示す模式断面図。
【図８】 積層糸群の筒部への厚さ方向糸の挿入状態を示す模式断面図。
【図９】 第２の実施の形態の三次元繊維構造体の製造途中の模式断面図。
【図１０】 同じく製造途中の模式断面図。
【図１１】 従来の円筒状の繊維強化複合材の製法の手順を示す模式図。
【図１２】 従来の三次元繊維構造体の模式斜視図。
【符号の説明】
１…底部、２…筒部、３，６…積層糸群、３ａ〜３ｇ…糸層、ｚ…厚さ方向糸、Ｆ…繊維束、Ｗ…三次元繊維構造体。
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は三次元繊維構造体に係り、詳しくは有底円筒状構造を有する三次元繊維構造体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】繊維強化複合材は軽量の構造材料として広く使用されている。複合材用補強基材として三次元織物（三次元繊維構造体）がある。この三次元織物を骨格材として、樹脂あるいは無機物をマトリックスとした複合材はロケット、航空機、自動車、船舶及び建築物の構造材として幅広い用途が期待されている。
【０００３】三次元繊維構造体の製造方法として、多数のピン又は糸案内管が配列されたベースプレートあるいは支持枠上に、糸（繊維束）をピン又は糸案内管で折り返しながら配列して形成した糸層を複数積層して積層糸群を形成し、厚さ方向に配列される糸により各糸層を結合する方法がある。しかし、板材以外の立体的な構造物の骨格材となる大型で複雑な形状の三次元繊維構造体を製造するのは難しく手間がかかるため、三次元繊維構造体としては単純な形状のものしかない。
【０００４】特開昭６１−２０１０６３号公報には、ベースプレートの形状を変えることにより、円筒状の三次元繊維構造体や図１２に示すような、円錐台筒状、ドーム状の三次元繊維構造体Ｗが得られることが開示されている。しかし、形状が有底円筒状の三次元繊維構造体Ｗは従来なかった。
【０００５】有底円筒状の繊維強化複合材の骨格材の製造方法として、図１１（ａ）〜（ｄ）に示すように、糸５１が互いに直交する状態で織成された平織物又は繻子織物からなるクロス材（布）５２を、円筒状の治具５３の端部を基準にして順次積層した後、適宜の箇所を手作業によって糸で縫い合わせる方法がある。図１１（ｃ），（ｄ）はクロス材５２を治具５３の上に配置するときの、クロス材５２を構成する糸５１の配列方向を示す模式図である。糸５１の配列方向は図１１（ｃ）に示す０°（図１１（ｃ）における左右方向）、９０°（図１１（ｃ）における上下方向）、図１１（ｄ）に示す±４５°の配列方向がある。そして、図１１（ｃ）及び図１１（ｄ）に示す状態が交互になるようにして所定枚数のクロス材５２が積層される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】前記クロス材５２を積層して形成された有底円筒状の骨格材は、底部の糸の配列は０°、９０°、±４５に正確に設定できる。しかし、図１１（ｂ）に示すように、底部における配列が０°及び９０°のクロス材５２を治具５３の円筒部５４に皺が無い状態に沿わせると、円筒部における糸５１の配列は０°及び９０°の他に不確定な角度で配列される部分が混在する状態となる。その結果、複合材とした場合に、強度、弾性率等の力学的特性の推定が困難であるという問題がある。また、治具５３の円筒部５４にクロス材５２を皺がないように沿わせることも難しい。さらに、クロス材５２では配列方向が異なる糸５１が同一平面上に存在するため、糸５１は配列方向の異なる糸と対応する部分で屈曲した状態で配列される。従って、真っ直ぐに配列された糸に比較して、複合材の強度を高める効果が小さいという問題がある。
【０００７】本発明は前記の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は力学特性に優れ、その力学特性の推定が容易となる有底円筒形状の構造を有する繊維強化複合材の骨格材として適した三次元繊維構造体を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、円筒状の筒部とその一端を塞ぐ底部とを備えた三次元繊維構造体であって、前記筒部及び底部が、所定方向に配列された繊維束からなる複数の糸層を積層して形成された疑似等方性の配向となる積層糸群と、各糸層と直交する方向に配列されて前記積層糸群を結合する厚さ方向糸とを含み、かつ底部に配列された繊維束は筒部に配列された繊維束と連続している。
【０００９】請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記筒部は軸方向に対して０°、＋４５°、−４５°及び９０°の４方向に配列された繊維束で疑似等方性に構成され、前記底部は＋３０°、−３０°及び９０°の３方向に配列された繊維束で疑似等方性に構成されている。
【００１０】請求項３に記載の発明では、請求項１又は請求項２に記載の２個の有底筒状の三次元繊維構造体が、その底部が互いに当接する状態に配置され、その筒部の周囲に疑似等方性に構成された筒状の積層糸群が配置され、各筒部を貫通する厚さ方向糸で各筒部を構成する積層糸群が結合されている。
【００１１】従って、請求項１に記載の発明の三次元繊維構造体は、筒部及び底部がそれぞれ疑似等方性の配向となる積層糸群を厚さ方向糸で結合した構成のため、クロス材を積層して糸で縫ったものに比較して、複合材としたときの強度に優れ、力学特性の推定が容易となる。また、底部に配列された繊維束は筒部に配列された繊維束と連続しているため、三次元繊維構造体自身の形態安定性が向上し、取り扱いが容易となる。
【００１２】請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、底部は＋３０°、−３０°及び９０°の３方向に配列された繊維束で構成されているため、同じ強度で疑似等方性とするのに必要な繊維束の量が、０°、＋４５°、−４５°及び９０°の４方向に配列された繊維束で疑似等方性とする場合に比較して少なくなる。
【００１３】請求項３に記載の発明では、円筒の中間部に軸方向と直交する区画壁が形成された構造の三次元繊維構造体を、請求項１又は請求項２に記載の２個の有底筒状の三次元繊維構造体に基づいて簡単に得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図１〜図８に従って説明する。図１（ａ）は有底円筒状の三次元繊維構造体Ｗの底部１を上にした模式斜視図である。図１（ｂ）はその底部１及び筒部２を構成する繊維束Ｆの配列を示す模式図である。
【００１５】三次元繊維構造体Ｗの底部１及び筒部２はそれぞれ所定方向に配列された繊維束Ｆからなる複数の糸層３ａ〜３ｇを積層して形成された疑似等方性の配向となる積層糸群３を有する。各糸層３ａ〜３ｃ及び各糸層３ｄ〜３ｇはそれぞれ糸層と直交して積層糸群３の厚さ方向に配列される厚さ方向糸ｚ（図２（ａ），（ｂ）に図示）により結合されている。厚さ方向糸ｚは三次元繊維構造体Ｗの外側から各糸層３ａ〜３ｃ及び各糸層３ｄ〜３ｇを貫いて折り返し状に配列されるとともに、折り返しループ４に厚さ方向糸ｚと直交する方向に配列された抜け止め糸５により抜け止めされた状態で配列されている。
【００１６】図１（ｂ）、図３（ｂ）、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、底部１を構成する積層糸群３は、繊維束Ｆの配向角が９０°に配列された糸層３ａと、配向角が＋３０°に配列された糸層３ｂと、配向角が−３０°に配列された糸層３ｃとが所定数積層されて疑似等方性に構成されている。この実施の形態では図２（ａ）に示すように、各糸層３ａ〜３ｃがそれぞれ２層ずつ、合計６層で積層糸群３が構成されている。また、各糸層３ａ〜３ｃは厚さ方向の中央（中立面）を境に鏡面対称となるように配列されている。この実施の形態では外側に配向角が＋３０°に配列された繊維束Ｆの糸層３ｂが配置され、中央側に配向角が−３０°に配列された繊維束Ｆの糸層３ｃが配置されている。そして、両糸層３ｂ，３ｃの間に配向角が９０°に配列された繊維束Ｆの糸層３ａがそれぞれ配置されている。
【００１７】筒部２を構成する積層糸群３は、繊維束Ｆの配向角が０°に配列された糸層３ｄと、繊維束Ｆの配向角が９０°に配列された糸層３ｅと、配向角が＋４５°に配列された糸層３ｆと、配向角が−４５°に配列された糸層３ｇとが所定数積層されて疑似等方性に構成されている。この実施の形態では図２（ｂ）に示すように、各糸層３ｄ〜３ｇがそれぞれ２層ずつ、合計８層で積層糸群３が構成されている。また、各糸層３ｄ〜３ｇは厚さ方向の中央を境に鏡面対称となるように配列されている。この実施の形態では外側に配向角が＋４５°に配列された繊維束Ｆの糸層３ｆが配置され、中央側に配向角が−４５°に配列された繊維束Ｆの糸層３ｇが配置されている。そして、両糸層３ｆ，３ｇの間に、配向角が９０°に配列された繊維束Ｆの糸層３ｅと、配向角が０°に配列された繊維束Ｆの糸層３ｄとがそれぞれ配置されている。
【００１８】図３（ａ）に示すように、筒部２を構成する配向角が０°に配列された繊維束Ｆは、１本の繊維束Ｆが周方向に順次配列位置をずらした状態で配列することにより形成されている。従って、厳密にいえば配向角は０°ではないが、実質的に０°である。
【００１９】図３（ｂ）に示すように、筒部２を構成する配向角θが９０°に配列された繊維束Ｆと、底部１を構成する配向角θが９０°に配列された繊維束Ｆとは、１本の同じ繊維束Ｆで構成されている。繊維束Ｆは一部が筒部２の両端で折り返し、一部が筒部２と底部１とに跨って位置するように配列されている。
【００２０】図４（ａ）に示すように、筒部２を構成する配向角θが＋４５°に配列された繊維束Ｆと、底部１を構成する配向角θが＋３０°に配列された繊維束Ｆとは、１本の同じ繊維束Ｆで構成されている。繊維束Ｆは一部が筒部２の両端で折り返し、一部が筒部２と底部１とに跨る状態で、かつその配向角θが所定の角度となるように配列されている。
【００２１】図４（ｂ）に示すように、筒部２を構成する配向角θが−４５°に配列された繊維束Ｆと、底部１を構成する配向角θが−３０°に配列された繊維束Ｆとは、１本の同じ繊維束Ｆで構成されている。繊維束Ｆは一部が筒部２の両端で折り返し、一部が筒部２と底部１とに跨る状態で、かつその配向角θが所定の角度となるように配列されている。従って、この実施の形態の三次元繊維構造体Ｗは、底部１に配列された繊維束Ｆは筒部２に配列された繊維束Ｆと必ず連続した状態で配列されている。
【００２２】なお、図３（ａ），（ｂ）及び図４（ａ），（ｂ）では繊維束Ｆの配列を分かり易くするため、繊維束Ｆの間隔を広く表してしているが、実際は配列後の繊維束Ｆは互いに接触する程度に近接して配列される。また、筒部２における配向角θとは三次元繊維構造体Ｗの軸と直交する平面に対する繊維束Ｆのなす角度を意味する。底部１における配向角θは三次元繊維構造体Ｗの軸を含む基準面に対する繊維束Ｆのなす角度を意味し、筒部２における配向角θを基準にして設定されている。
【００２３】各繊維束Ｆを構成する繊維の材質としては複合材の用途（要求物性）に応じてカーボン繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、ポリアラミド繊維等種々のものが使用される。この実施の形態においては、各繊維束Ｆとしてカーボン繊維のロービング（トウ）が使用されている。ロービング（トウ）とは細い単繊維のフィラメントを多数本束ねた実質無撚りの繊維束を意味する。従って、図２（ａ），（ｂ）では繊維束Ｆの長さ方向と直交する断面の形状を便宜上円として表しているが、実際は積層糸群３として積層された状態では扁平な楕円となる。
【００２４】次に前記のように構成された三次元繊維構造体Ｗの製造に使用する治具の構成を説明する。この治具は三次元繊維構造体Ｗの形状に対応した積層糸群３の配列と、配列された積層糸群３への厚さ方向糸ｚの挿入時における積層糸群３の保持とに使用される。
【００２５】図６〜図８に示すように、治具１１は互いに平行に配置された一組の円環状のリング部材１２，１３と、両リング部材１２，１３間に互いに近接して配設されて円筒部を形成する複数の第１及び第２のプレート１４，１５とを備えている。両リング部材１２，１３は同じ外径に形成されるとともに、各プレート１４，１５がリング部材１２，１３に対して内側から取り外し可能に係合される段部１２ａ，１３ａ（図７及び図８に図示）を備えている。各プレート１４，１５の両端には段部１２ａ，１３ａと係合する段部が形成され、リング部材１２，１３間に取り付けられた状態でその外面が円筒の周面を形成するように、外面がリング部材１２，１３の外周面と同じ曲率に形成されている。各第１のプレート１４はリング部材１２，１３に係合されるとともに、ねじ（図示せず）を介してリング部材１２，１３に固定され、第２のプレート１５は段部１２ａ，１３ａとの嵌合によりリング部材１２，１３に固定されている。
【００２６】両リング部材１２，１３にはその端部外周部に、規制部材としての多数の規制ピン１６が所定ピッチで取り外し可能に固定されている。リング部材１２に固定された規制ピン１６は、リング部材１２の軸方向と直交する平面に対してほぼ４５°の角度をなすように固定され、リング部材１３に固定された規制ピン１６は、同じく軸方向と直交する平面に対して平行に固定されている。また、第１のプレート１４にも規制ピン１７が所定ピッチで取り外し可能に固定されている。
【００２７】次に前記のように構成された治具１１を使用して有底円筒状の三次元繊維構造体Ｗを製造する方法を説明する。規制ピン１６，１７が固定された治具１１の外側に所定の順序で繊維束Ｆを順次配列して積層糸群３を形成する。先ず、図４（ａ）に示すように、筒部２での配向角θが＋４５°、底部１での配向角θが＋３０°となるように、繊維束Ｆが規制ピン１６と係合して折り返すように配列される。繊維束Ｆは図のＳからスタートしてＥで終わるように、即ち、配列初期と終期において、繊維束Ｆは筒部２に対応する両端位置で折り返し、その他は筒部２と底部１とを交互に通過するようにして、底部１と反対側のリング部材１３に固定された規制ピン１６と係合して折り返すように配列される。
【００２８】次に図３（ｂ）に示すように、筒部２及び底部１での配向角θが９０°となるように、繊維束Ｆが規制ピン１６と係合して折り返すように配列される。この場合も繊維束Ｆは図のＳからスタートしてＥで終わるように、即ち、配列初期と終期において、繊維束Ｆは筒部２に対応する両端位置で折り返し、その他は筒部２と底部１とを交互に通過するようにして、底部１と反対側のリング部材１３に固定された規制ピン１６と係合して折り返す。
【００２９】次に図３（ａ）に示すように、筒部２での配向角θが０°となるように、筒部２の周方向に沿って繊維束Ｆが配列される。この場合繊維束Ｆは規制ピン１７と係合して折り返すことなく、図のＳからスタートしてＥで終わるように、プレート１４，１５によって構成される円筒面に対して一方向へ巻き付けるようにして配列される。プレート１４に固定された規制ピン１７は、繊維束Ｆが周方向と直交する方向にずれるのを規制する役割を果たす。
【００３０】次に図４（ｂ）に示すように、筒部２での配向角θが−４５°、底部１での配向角θが−３０°となるように、繊維束Ｆが規制ピン１６と係合して折り返すように配列される。この場合も繊維束Ｆは図のＳからスタートしてＥで終わるように、配列初期と終期において繊維束Ｆは筒部２に対応する両端位置で折り返し、その他は筒部２と底部１とを交互に通過するようにして、底部１と反対側のリング部材１３に固定された規制ピン１６と係合して折り返す。
【００３１】そして、前記と同じ順で再び繊維束Ｆが順次配列されて、底部１に糸層３ａ〜３ｃが合計３ｎ層（この実施の形態ではｎ＝２）、筒部２に糸層３ｄ〜３ｇが合計４ｎ層（この実施の形態ではｎ＝２）配列された有底円筒状の積層糸群３が形成される。繊維束Ｆの配列作業は、手作業あるいは多軸ロボットのアームに糸供給部を装備した装置により行われる。なお、積層糸群３の密度を高めるとともに厚さを調整するため、各糸層の配列が完了するたび、あるいは適宜の糸層が形成された時点毎に糸層をプレスプレート（図示せず）で押圧して積層糸群を圧縮してもよい。
【００３２】全ての糸層の配列終了後、図７及び図８に示すように、積層糸群３を保持した状態で治具１１を回転駆動される支持ブラケット１８に取り付けて、厚さ方向糸挿入装置により積層糸群３への厚さ方向糸ｚの挿入作業を行う。支持ブラケット１８は回転軸１９に対して一体回転可能に固定されるとともに、支持ブラケット１８に支持された治具１１の内側に手を差し入れることが可能な形状に形成されている。回転軸１９は図示しないモータにより間欠的に回転されるようになっている。
【００３３】厚さ方向糸挿入装置は、特開平８−２１８２４９号公報等に開示された装置と基本的に同様に構成され、複数本の厚さ方向糸挿入用の挿入針２０が一列に配設された針支持体２１が駆動機構により往復移動可能に構成されている。挿入針２０の本数は底部１の半径の１／２より少し短い長さに数ミリピッチで配列するのに必要な本数が設けられる。図７では模式的に４本図示されている。針支持体２１は挿入針２０の目に通された厚さ方向糸ｚが積層糸群３を貫通してループを形成することが可能な挿通位置と、挿入針２０が積層糸群３から離間する待機位置とに往復移動される。
【００３４】そして、底部１と対応する積層糸群３への厚さ方向糸ｚの挿入は、先ず図７に示すように、複数本の挿入針２０が底部１の外周寄りにおいて半径方向に沿って配列された所定位置で往復移動される。回転軸１９の回動が停止した状態で針支持体２１が往動されて挿入針２０が前進端に達した後、針支持体２１がわずかに後退され積層糸群３から挿入針２０の目に連なる厚さ方向糸ｚが抜け止め糸針（図示せず）の通過を許容するループを形成した状態となる。
【００３５】次に抜け止め糸針を使用して手作業で抜け止め糸５が前記ループに挿通される。その後、針支持体２１とともに挿入針２０が後退し、積層糸群３から離脱して待機位置に配置される。この状態で張力調整部（図示せず）の作用により厚さ方向糸ｚが引き戻され、積層糸群３内に挿入された厚さ方向糸ｚが抜け止め糸５により抜け止めされた状態で締付けられる。次に回転軸１９が所定角度回動され、挿入針２０が次の厚さ方向糸挿入位置と対向する状態となる。以下、前記と同様にして順次厚さ方向糸ｚの挿入サイクルが実行される。そして、回転軸１９が１回転した状態で底部１の外周寄りの部分に対する厚さ方向糸ｚの挿入作業が完了する。
【００３６】次に針支持体２１の位置が底部１の中心寄りに移動され、その状態で再び、厚さ方向糸ｚの挿入作業が行われる。厚さ方向糸ｚの挿入ピッチを外周寄りと中心寄りとでほぼ同じにするため、中心寄りの位置における厚さ方向糸ｚの挿入作業時には、間欠的に回動される回転軸１９の１回毎の回動角は外周寄りの位置における挿入作業時より大きくなる。そして、前記と同様にして厚さ方向糸ｚの挿入が行われて底部１への厚さ方向糸ｚの挿入が完了すると、図５に示すように、底部には厚さ方向糸ｚが同心円状に配列された状態となる。
【００３７】次に積層糸群３の筒部２への厚さ方向糸ｚの挿入が行われる。筒部２への厚さ方向糸ｚの挿入作業を行う前に、第１のプレート１４に固定されている規制ピン１７が全部取り外される。そして、図８に示すように、挿入針２０が積層糸群３の筒部２と対向する状態となるように配置される。なお、規制ピン１７の取り外し作業は、底部１への厚さ方向糸の挿入作業前に行ってもよい。
【００３８】そして、厚さ方向糸ｚの挿入箇所と対応する位置に固定されている第１のプレート１４又は第２のプレート１５が順次取り外された状態で、底部１への厚さ方向糸ｚの挿入と同様にして厚さ方向糸ｚの挿入が行われる。そして、挿入針２０が１往復されると、回転軸が所定角度回動されて次の厚さ方向糸挿入位置が挿入針２０と対向する状態となる。第１のプレート１４又は第２のプレート１５が取り外された箇所と対応する位置が挿入針２０と対向しない状態になると、取り外されていた第１のプレート１４又は第２のプレート１５が当該位置に再び固定され、次の第１のプレート１４又は第２のプレート１５が取り外されて厚さ方向糸ｚの挿入が行われる。以下、順次厚さ方向糸ｚの挿入が行われて回転軸１９が１回転すると、１周分の挿入作業が完了する。次に挿入針２０の位置が図８に示す位置から下方へ移動された後、再び前記と同様にして厚さ方向糸ｚの挿入が行われる。
【００３９】必要な箇所への厚さ方向糸ｚの挿入が完了すると、三次元繊維構造体Ｗが完成する。そして、治具１１が支持ブラケット１８から取り外された後、規制ピン１６がリング部材１２，１３から取り外されるとともに、各プレート１４，１５がリング部材１２，１３から取り外されて治具１１が分解され、三次元繊維構造体Ｗの製造が完了する。
【００４０】前記のように構成された三次元繊維構造体Ｗは繊維強化複合材の強化材（骨格材）として使用され、マトリックスとして樹脂や無機物が使用される。例えばマトリックスとして樹脂を使用する場合には三次元繊維構造体Ｗに樹脂（例えばエポキシ樹脂）が含浸された後、硬化されて繊維強化複合材が完成する。また、例えば、マトリックスが無機物であるカーボン／カーボン複合材を構成する場合は、三次元繊維構造体Ｗに樹脂を含浸、硬化させた後、焼成して製作する。
【００４１】この実施の形態では以下の効果を有する。
（１） 有底円筒状の三次元繊維構造体Ｗの筒部２及び底部１が、所定方向に配列された繊維束Ｆからなる複数の糸層３ａ〜３ｃ、３ｄ〜３ｇを積層して形成された疑似等方性の配向となる積層糸群３を、各糸層３ａ〜３ｃ、３ｄ〜３ｇと直交する方向に配列された厚さ方向糸ｚにより結合することにより形成されている。従って、クロス材を重ねた場合に比較して糸層の数が同じ場合強度が向上する。また、有底円筒形状の構造を有する力学特性に優れた繊維強化複合材が得られるとともに、その力学特性の推定が容易となる。
【００４２】（２） 三次元繊維構造体Ｗの底部１に配列された繊維束Ｆは筒部２に配列された繊維束Ｆと連続している。従って、底部１あるいは筒部２に作用した力が他の部分に円滑に伝達され、応力集中が生じ難い。
【００４３】（３） 底部１が＋３０°、−３０°及び９０°の３方向に配列された繊維束Ｆで疑似等方性に構成されているため、底部１を同じ強度で疑似等方性とするのに必要な繊維束Ｆの量が、０°、＋４５°、−４５°及び９０°の４方向に配列された繊維束Ｆで疑似等方性とする場合に比較して少なくなる。
【００４４】（４） 最外層及び最内層を構成する糸層が、繊維束Ｆが斜め方向に配列された糸層（この実施の形態では糸層３ｂ及び糸層３ｆ）で形成されているため、繊維束Ｆが０°又は９０°で配列された糸層３ｄ又は３ａ，３ｅで形成した場合と比較して、最外層及び最内層に配列された繊維束Ｆの密度が高くなり、表面の平滑性が向上する。
【００４５】（５） 厚さ方向糸ｚが三次元繊維構造体Ｗの外側から折り返し状に積層糸群３に挿入され、内側で抜け止め糸５により抜け止めされた構成のため、厚さ方向糸ｚを内側から挿入する構成に比較して、厚さ方向糸挿入装置による挿入が容易になる。
【００４６】（６） 底部１を構成する各糸層３ａ〜３ｃ及び筒部２を構成する各糸層３ｄ〜３ｇがそれぞれ厚さ方向の中立面に対してほぼ鏡面対称に配置されているため、複合材を形成した際に反りが生じ難くなる。
【００４７】（７） 各糸層３ａ〜３ｇを構成する繊維束Ｆとして、少なくとも一つの糸層の繊維束Ｆの配列に１本の繊維束Ｆが途中で切断されずに使用されているため、各糸層を構成する繊維束Ｆを適切な張力を付与した状態で配列するのが容易となり、複合材としたときの物性の向上に寄与する。
【００４８】（８） 底部１に対する厚さ方向糸ｚの挿入は、複数本の挿入針２０が半径方向に一列に配列された状態で往復移動され、治具１１とともに積層糸群３が間欠的に回動されて厚さ方向糸ｚを挿入すべき箇所が順次挿入針２０と対応する状態となる。従って、挿入針２０が往復移動する位置を順次変更する構成に比較して厚さ方向糸挿入装置の構成が簡単になる。
【００４９】（９） 円筒状の治具１１の筒部の大半が、内側から取り外し可能に構成された複数の第１及び第２のプレート１４，１５により構成されているため、積層糸群３の筒部２を構成する繊維束Ｆを正確に円筒状に配列することができ、しかも厚さ方向糸ｚの挿入に支障を来さない。
【００５０】（１０） 治具１１を構成する第１のプレート１４に規制ピン１７が所定ピッチで着脱可能に固定されているため、筒部２を構成する配向角θが０°の繊維束Ｆを配列する際に、繊維束Ｆが周方向と直交する方向にずれるのが規制され、複合材としたときの物性の向上に寄与する。
【００５１】（第２の実施の形態）次に第２の実施の形態を図９及び図１０に基づいて説明する。この実施の形態では三次元繊維構造体Ｗの形状が前記実施の形態の三次元繊維構造体Ｗと異なっている。三次元繊維構造体Ｗは円筒の中間部に軸方向と直交する区画壁が形成された構造となっている。また、使用する治具１１のリング部材１２に固定される規制ピン１６は、リング部材１２の軸方向と直交する平面に対して平行に固定されている点が前記実施の形態の治具１１と異なっている。
【００５２】この形状の三次元繊維構造体Ｗを製造する場合は、先ず前記実施の形態と同様にして有底円筒状の積層糸群３を２個形成する。次に図９に示すように、治具１１に保持された状態の積層糸群３の底部１を当接させた状態に配置し、その状態で円筒の底部１と対応する位置に厚さ方向糸ｚを挿入する。次に規制ピン１７を取り外して、筒部２と対応する位置に厚さ方向糸ｚを挿入する。このとき厚さ方向糸ｚの挿入密度を前記実施の形態の筒部２の挿入密度のほぼ半分とする。その結果、２個の有底円筒の底部が当接された形状の中間体が形成される。
【００５３】次に図１０に示すように、両有底円筒の筒部２の外側に新たに円筒状に疑似等方性の積層糸群６を形成する。その後、筒部２に厚さ方向糸ｚを挿入する。厚さ方向糸ｚは既に挿入されている厚さ方向糸ｚと同程度の挿入密度で挿入される。そして、厚さ方向糸ｚの挿入後、両治具１１を分解すると所望の三次元繊維構造体Ｗが得られる。外側に配列される円筒部の疑似等方性の積層糸群６を構成する繊維束は、配向角θの組合せが＋３０°、−３０°及び９０°の３方向あるいは０°、＋４５°、−４５°及び９０°の４方向のいずれであってもよい。
【００５４】なお、実施の形態は前記に限定されるものでなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 底部１も筒部２と同様に配向角θが０°、＋４５°、−４５°及び９０°の４方向に配列された繊維束Ｆで疑似等方性に構成してもよい。この構成とするには図４R>４（ａ）に示す配列パターンにおいて、筒部２を構成する配向角θが＋４５°に配列された繊維束Ｆの底部１における配向角θを＋３０°から＋４５°に変更し、図４（ｂ）に示す配列パターンにおいて、筒部２を構成する配向角θが−４５°に配列された繊維束Ｆの底部１における配向角θを−３０°から−４５°に変更する。また、図３（ｂ）に示す配列パターンにおいて、底部１を９０°回転させて底部１における配向角θが０°で、筒部２における配向角θが９０°の繊維束Ｆからなる糸層を新たに設ける。筒部２を構成する配向角θが０°の繊維束Ｆは図３（ａ）に示す配列パターンと同じにする。この場合、筒部２を構成する配向角θが９０°の繊維束Ｆからなる糸層３ｅの比率が前記実施の形態の三次元繊維構造体Ｗに比較して多くなる。その結果、複合材を製作したときに、円筒の軸方向に対する圧縮強度が強くなる。
【００５５】○ 底部１と筒部２の両方を配向角θが０°、＋３０°及び−３０°の３方向に配列された繊維束Ｆで疑似等方性に構成してもよい。この構成は筒部２における配向角θが０°の繊維束Ｆの糸層３ｄを無くし、図４（ａ）及び図４（ｂ）にの筒部２における繊維束の配向角θをそれぞれ＋３０°及び−３０°にする。
【００５６】○ 底部１及び筒部２を構成する糸層の厚さ方向における配置は、厚さ方向の中立面に対して鏡面対称に限らず、疑似等方性を構成する配向角θの組合せの糸層が存在すればよい。
【００５７】○ 厚さ方向糸ｚは外側から内側に向かって折り返し状に挿入する代わりに、内側から外側に向かって折り返し状に挿入して抜け止め糸５を外側に配置してもよい。また、抜け止め糸５を使用せずに厚さ方向糸ｚの挿入針を積層糸群３を外側から内側へ、内側から外側へと交互に貫通させて、厚さ方向糸ｚを蛇行状態で配列させてもよい。
【００５８】○ 厚さ方向糸ｚの挿入ピッチは図２（ａ），（ｂ）に示すように配向角θが±３０°又は±４５°の繊維束Ｆの配列ピッチと等しい必要はなく、適宜変更してもよい。
【００５９】○ 積層糸群３を鏡面対称に配置する構成において、中立面に配列される繊維束Ｆを２回に分けて配列する代わりに、２本分に相当する繊維束Ｆを１回で配列してもよい。しかし、２回に分けて配列する方が、繊維束Ｆを２種類準備したり、途中で繊維束Ｆの交換を行ったりする必要がないため好ましい。また、複合材としたときの強度も、２回に分けて配列したものの方が良くなる。
【００６０】○ 治具１１に着脱可能に固定される規制ピン１７を省略してもよい。規制ピン１７は筒部２を構成する配向角θが０°の繊維束Ｆを配列する際に、繊維束Ｆが周方向と直交する方向にずれるのを規制するが、張力を適正に調整して配列すれば規制ピン１７がなくても所定の位置に正確に配列することはできる。
【００６１】○ 前記実施の形態の三次元繊維構造体Ｗでは治具１１のリング部材１２，１３と対応する部分には厚さ方向糸ｚが挿入されていないが、治具１１から取り外した後、当該部分に厚さ方向糸ｚを挿入してもよい。
【００６２】前記実施の形態から把握できる請求項記載以外の発明（技術的思想）について、以下にその効果とともに記載する。
（１） 円筒状の筒部とその一端を塞ぐ底部とを備えた三次元繊維構造体であって、前記底部が０°、＋４５°、−４５°及び９０°の４方向に配列された繊維束からなる複数の糸層を積層して形成された疑似等方性の配向となる積層糸群と、各糸層と直交する方向に配列されて前記積層糸群を結合する厚さ方向糸とを含み、前記筒部が０°、＋４５°、−４５°及び９０°の４方向に配列された繊維束からなり、かつ９０°の方向に配列された繊維束の量が疑似等方性の配向より多い複数の糸層を積層して形成された積層糸群と、各糸層と直交する方向に配列されて前記積層糸群を結合する厚さ方向糸とを含み、かつ底部に配列された繊維束は筒部に配列された繊維束と連続している三次元繊維構造体。この場合、筒部を構成する繊維束のうち、筒部の軸方向と平行に延びる繊維束の比率が多くなり、複合材としたときの軸方向への圧縮強度が向上する。
【００６３】（２） 円環状の一組のリング部材と、両リング部材間に互いに近接して配設されて円筒部を形成するとともに、前記両リング部材の内側から取り外し可能に設けられた複数のプレートとを備え、各プレートの外周面の曲率が前記リング部材の外周面の曲率と同じに形成され、少なくとも前記両リング部材には所定ピッチで規制部材（規制ピン）が周方向に沿って着脱可能に固定されている繊維束（糸）配列用の治具。この治具を使用すると有底円筒状の三次元繊維構造体の製造が容易になる。
【００６４】
【発明の効果】以上詳述したように請求項１〜請求項３に記載の発明の三次元繊維構造体を骨格材として繊維強化複合材を形成すれば、有底円筒形状の構造を有する力学特性に優れた繊維強化複合材が得られるとともに、その力学特性の推定が容易となる。
【００６５】請求項２に記載の発明によれば、底部を同じ強度で疑似等方性とするのに必要な繊維束の量が、０°、＋４５°、−４５°及び９０°の４方向に配列された繊維束で疑似等方性とする場合に比較して少なくなる。
【００６６】請求項３に記載の発明によれば、円筒の中間部に軸方向と直交する区画壁が形成された構造の三次元繊維構造体を、請求項１又は請求項２に記載の２個の有底筒状の三次元繊維構造体に基づいて簡単に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）は第１の実施の形態の三次元繊維構造体の模式斜視図、（ｂ）は底部及び筒部の繊維束の配列を示す模式図。
【図２】 （ａ）は底部の部分模式断面図、（ｂ）は筒部の部分拡大模式断面図。
【図３】 （ａ）は筒部を構成する配向角０°の繊維束の配列を示し、（ｂ）は底部及び筒部を構成する配向角９０°の繊維束の配列を示す模式展開図。
【図４】 （ａ）は配向角が３０°で底部を構成し配向角が４５°で筒部を構成する繊維束の、（ｂ）は配向角が−３０°で底部を構成し配向角が−４５°で筒部を構成する繊維束の配列をそれぞれ示す模式展開図。
【図５】 底部に対する厚さ方向糸の配列状態を示す模式図。
【図６】 治具の模式斜視図。
【図７】 積層糸群の底部への厚さ方向糸の挿入状態を示す模式断面図。
【図８】 積層糸群の筒部への厚さ方向糸の挿入状態を示す模式断面図。
【図９】 第２の実施の形態の三次元繊維構造体の製造途中の模式断面図。
【図１０】 同じく製造途中の模式断面図。
【図１１】 従来の円筒状の繊維強化複合材の製法の手順を示す模式図。
【図１２】 従来の三次元繊維構造体の模式斜視図。
【符号の説明】
１…底部、２…筒部、３，６…積層糸群、３ａ〜３ｇ…糸層、ｚ…厚さ方向糸、Ｆ…繊維束、Ｗ…三次元繊維構造体。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 円筒状の筒部とその一端を塞ぐ底部とを備えた三次元繊維構造体であって、前記筒部及び底部が、所定方向に配列された繊維束からなる複数の糸層を積層して形成された疑似等方性の配向となる積層糸群と、各糸層と直交する方向に配列されて前記積層糸群を結合する厚さ方向糸とを含み、かつ底部に配列された繊維束は筒部に配列された繊維束と連続している三次元繊維構造体。
【請求項２】 前記筒部は軸方向に対して０°、＋４５°、−４５°及び９０°の４方向に配列された繊維束で疑似等方性に構成され、前記底部は＋３０°、−３０°及び９０°の３方向に配列された繊維束で疑似等方性に構成されている請求項１に記載の三次元繊維構造体。
【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載の２個の有底筒状の三次元繊維構造体が、その底部が互いに当接する状態に配置され、その筒部の周囲に疑似等方性に構成された筒状の積層糸群が配置され、各筒部を貫通する厚さ方向糸で各筒部を構成する積層糸群が結合されている三次元繊維構造体。
【請求項１】 円筒状の筒部とその一端を塞ぐ底部とを備えた三次元繊維構造体であって、前記筒部及び底部が、所定方向に配列された繊維束からなる複数の糸層を積層して形成された疑似等方性の配向となる積層糸群と、各糸層と直交する方向に配列されて前記積層糸群を結合する厚さ方向糸とを含み、かつ底部に配列された繊維束は筒部に配列された繊維束と連続している三次元繊維構造体。
【請求項２】 前記筒部は軸方向に対して０°、＋４５°、−４５°及び９０°の４方向に配列された繊維束で疑似等方性に構成され、前記底部は＋３０°、−３０°及び９０°の３方向に配列された繊維束で疑似等方性に構成されている請求項１に記載の三次元繊維構造体。
【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載の２個の有底筒状の三次元繊維構造体が、その底部が互いに当接する状態に配置され、その筒部の周囲に疑似等方性に構成された筒状の積層糸群が配置され、各筒部を貫通する厚さ方向糸で各筒部を構成する積層糸群が結合されている三次元繊維構造体。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０００−３２８３９２（Ｐ２０００−３２８３９２Ａ）
【公開日】平成１２年１１月２８日（２０００．１１．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平１１−１４０４８７
【出願日】平成１１年５月２０日（１９９９．５．２０）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機製作所 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１２年１１月２８日（２０００．１１．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１１年５月２０日（１９９９．５．２０）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機製作所 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
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