JP2005097759A - 三次元繊維構造体及びその製造方法並びに複合材 - Google Patents

Abstract

【課題】湾曲した形状の梁や円環状に連結された状態で使用される繊維強化複合材を製造するための適切な強化材として使用することができる三次元繊維構造体を提供する。
【解決手段】三次元繊維構造体11は、扇面板状部11ａと、扇面板状部11ａの上下両端に形成された板状部11ｂ，11ｃとから断面形状がＩ形状に形成されるとともに、長手方向に沿って一定の曲率で湾曲形成されている。三次元繊維構造体11は、その両端部が、複数の三次元繊維構造体を長手方向の端部同士で連結した際に、円環を形成可能な形状に形成されている。三次元繊維構造体11は、扇面板状の三次元繊維構造中間体12を複数厚さ方向に積層した状態で、円弧状周縁部を残して結合糸13により結合され、結合糸13により結合されなかった円弧状周縁部を扇面板状部11ａと直角に折り曲げることにより形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、三次元繊維構造体及びその製造方法並びに複合材に係り、詳しくは長手方向と直交する断面形状が異形状で、長手方向に沿って湾曲形成された三次元繊維構造体及びその製造方法並びに複合材に関する。

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。繊維強化複合材のうち、三次元織物（三次元繊維構造体）を強化材として使用したものは強度が非常に高く、航空機等の構造材に使用が考えられ、一部使用されている。このような構造材には直線状ではなく、長手方向に湾曲した形状のものも必要となる。例えば、航空機の胴体は円筒状に形成されているため、円弧状に形成された構造材を連結して円環状で使用する用途も多い。

円弧状の三次元繊維構造体の製法として、三次元に配向された強化用繊維で織物を平板状に形成した後に、当該三次元織物を所定形状を有する治具に倣わせて成形する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、扇形や穴付き円板状の複合材の強化用繊維材料として、らせん状織物が提案されている（例えば、特許文献２、特許文献３参照。）。これらのらせん状織物は、半径方向に延びるように配列されたよこ糸の密度がほぼ均一となるように、一部のよこ糸が半径方向の途中において折り返されるように配列されている。特許文献３に開示されたらせん状織物の製造方法では、開口、よこ入れ、筬打ちを基本動作とする製織機構によって製織する際、多数本の経糸６１を一本ずつ個別に制御して送り出し、よこ糸６２を片側の耳糸から反対方向の折返し点までの距離が段階的に異なる他種類のよこ入れ幅でよこ入れする。そして、図１４に示すように、筬６３で筬打ちされた後の織物６４を、頂角５度以上１５度未満のコーン形状に形成され、その大径部が前記片側の耳糸側を向くように配列された複数本の引取ローラ６５に千鳥状に巻き付け、経糸６１の無緊張下で引取ローラ６５を回転して引き取り、織物６４を引取ローラ６５の小径側に湾曲させる。

また、曲面部や屈曲部を有する三次元繊維構造体の製造方法として、製造すべき三次元繊維構造体の形状に対応して分解可能に形成された治具を使用し、その治具上に、糸が折り返し状に配列された複数の糸層を積層して積層糸群を形成し、その積層糸群を各糸層と直交する方向に配列される厚さ方向糸で結合する方法がある（例えば、特許文献４参照。）。

積層糸群を厚さ方向糸で結合する方法（以下、積層法と言う場合もある。）では、Ｉ形やＴ形等の異形断面の三次元繊維構造体を直接製造することはできない。しかし、複数の平板状の三次元繊維構造体をステッチで結合させて異形断面の直線状の三次元繊維構造体を製造する方法は知られている（例えば、非特許文献１参照。）。例えば、Ｔ形の異形断面の三次元繊維構造体を製造する場合は、図１５（ａ）に示すように、積層法で製造した２枚の平板状の三次元繊維構造体７１を準備する。そして、図１５（ｂ）に示すように、２枚の三次元繊維構造体７１を重ねてその一部にステッチ７２を施して両三次元繊維構造体７１を接合し、次にステッチ７２が施されていない部分を折り曲げ加工することにより図１５（ｃ）に示すようにＴ形断面の三次元繊維構造体Ｆが得られる。なお、図１５（ｃ）に鎖線で示すように、屈曲された部分の形状保持のため、鎖線で示すように第３の三次元繊維構造体７１をステッチ７２で接合する場合もある。
特開２００３−７３１７６号公報（明細書の段落［０００７］、［００１７］，［００１８］、図１） 特開昭５６−７３１３８号公報（明細書の１，２頁、図１〜３） 特開平２−３３３４６号公報（明細書の２，３頁、図１，２） 特開平１１−１８４３号公報（明細書の段落［００４１］〜［００５１］、図１，４） （革新航空機技術開発に関する調査研究報告書Ｎo.1101 、社団法人 日本航空宇宙工業会 革新航空機技術開発センター、２０００年３月、ｐ．２０〜２３）

ところが、特許文献１に開示された三次元繊維構造体の製法のように、直線状の三次元織物を所定形状を有する治具に倣わせて成形する方法では、三次元織物が平板状の場合には曲率が小さい状態に曲げるのは可能であるが、Ｉ字状、Ｔ字状、Ｌ字状等の異形断面の三次元織物の場合は湾曲させるのが難しい。また、炭素繊維やアラミド繊維等のように高強度、高弾性率の繊維で形成された三次元織物の場合は、湾曲させるのがより難しい。

また、特許文献２及び特許文献３に開示されたらせん状織物を利用するとともに、非特許文献１に記載された異形断面の三次元繊維構造体の製造方法を適用することにより、異形断面で長手方向に湾曲した三次元繊維構造体を製造することが考えられる。例えば、扇状に切断したらせん状織物を複数枚積層するとともに厚さ方向糸で結合して扇面板状の三次元繊維構造体を形成する。そして、その三次元繊維構造体の一部にステッチを施し、ステッチが施されていない部分を折り曲げ加工することにより異形断面で長手方向に湾曲された三次元繊維構造体が形成される。

しかし、特許文献２及び特許文献３に開示されたらせん状織物は曲率が大きな、即ち曲率半径が小さならせん状織物を対象としており、航空機の構造部材のように曲率半径が数ｍになるらせん状織物を製織するには織機として非常に大きな装置が必要になるという問題がある。また、らせん状織物は経糸及びよこ糸で形成されているため、三次元繊維構造体として長手方向に沿って配列された糸に対して例えば±４５度の角度で配列されるバイアス糸を配列させることができない。従って、強度の要求が大きな複合材の強化材としては物性が不十分となる。

また、扇面板状の三次元繊維構造体を形成する方法として、図１６に示すように、ｘ糸６７及びｙ糸６８で構成された糸層（さらにバイアス糸からなる糸層を含んでもよい）を厚さ方向糸（図示せず）で結合した三次元織物６９から所定の曲率及び幅の扇形状の三次元繊維構造体７０を切り出すことが考えられる。しかし、この場合、無駄になる部分が多くなるだけでなく、糸の配列が所定の曲率で湾曲されずに直線状となり、高強度の三次元繊維構造体を得るのが難しい。

本発明は前記の問題に鑑みてなされたものであって、その第１の目的は湾曲した形状の梁や円環状に連結された状態で使用され、長手方向と直交する断面形状が異形状の繊維強化複合材を製造するための適切な強化材として使用することができる三次元繊維構造体を提供することにある。第２の目的は前記三次元繊維構造体を製造する際の三次元繊維構造中間体として適している三次元繊維構造体を提供することにある。また、第３の目的はその三次元繊維構造体の製造方法を提供することにある。また、第４の目的は湾曲した形状の梁や円環状に連結された状態で使用されるのに適した複合材を提供することにある。

前記第１の目的を達成するため、請求項１に記載の発明の三次元繊維構造体は、長手方向と直交する断面形状が異形状で、長手方向に沿って湾曲形成された三次元繊維構造体である。そして、同心の円弧状に配列された０度配列糸からなる糸層を含む少なくとも２軸配向となる積層糸群が厚さ方向糸で結合されて形成された扇面板状部を有し、かつ該扇面板状部の両端部が、複数の三次元繊維構造体を長手方向の端部同士で連結した際に、円環を形成可能な形状に形成されている。「断面形状が異形状」とは、断面形状が長方形や正方形、円形のように単純な形状やパイプ形状ではなく、Ｈ字状、Ｉ字状、Ｌ字状、Ｔ字状、Ｃ字状、コの字状等の形状及びこれらの複合形状を意味する。

従って、この発明の三次元繊維構造体に樹脂等のマトリックスを含浸、硬化させて繊維強化複合材を製造すれば、湾曲した形状の梁や円環状に連結された状態で使用される繊維強化複合材として好適に使用することができる。

請求項２に記載の発明は、長手方向と直交する断面形状が異形状で、長手方向に沿って湾曲形成された三次元繊維構造体である。同心の円弧状に配列された０度配列糸からなる糸層を含む少なくとも２軸配向となる積層糸群が厚さ方向糸で結合されて形成された扇面板状部を有し、かつ該扇面板状部の両端部の延長線の成す角度の二等分線が扇面を二等分する形状の三次元繊維構造中間体が、複数厚さ方向に積層された状態で一部が結合糸により結合されている。前記三次元繊維構造中間体の円弧状周縁部の少なくとも一方が折り曲げ形成されている。ここで「扇面板状部」とは、二つの円弧と二つの直線で囲まれた所謂扇面形状をなす板に限らず、扇面形状の外側に一定幅の帯状部が連続する形状も含む概念である。

この発明の三次元繊維構造体に樹脂等のマトリックスを含浸、硬化させて繊維強化複合材を製造すれば、湾曲した形状の梁や円環状に連結された状態で使用される繊維強化複合材として好適に使用することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記三次元繊維構造体は互いに直角を成す複数の板状部を有する異形断面に形成されている。この発明では、三次元繊維構造体を梁等の構造材に使用すると、矩形断面の場合に比較して同じ重量であれば曲げモーメントが大きくなる。

前記第２の目的を達成するため、請求項４に記載の発明は、同心の円弧状に配列された０度配列糸を含む少なくとも２軸配向となる積層糸群が厚さ方向糸で結合されて形成された扇面板状部を有する。この発明の三次元繊維構造体は、請求項１〜請求項３に記載の三次元繊維構造体を製造する際の三次元繊維構造中間体として適している。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記扇面板状部内では、前記積層糸群の各糸層の配列糸角度は前記同心の円弧状に配列された０度配列糸に対して一定である。この発明では、各糸層の配列糸角度が一定でない場合に比較して、三次元繊維構造体の物性が良くなる。

前記第３の目的を達成するため、請求項６に記載の発明は、円錐台の周面形状の繊維配列部を有する繊維束配列用治具を使用して、前記繊維束配列用治具の上に、少なくとも前記円錐台の端部と平行に配列される糸からなる糸層を含むように糸層を複数積層して少なくとも２軸配向となる積層糸群を形成する積層糸群形成工程を備えている。また、前記積層糸群を前記繊維束配列用治具に保持した状態で厚さ方向糸で結合する積層糸群結合工程
を備え、円錐台筒状三次元繊維構造体を形成した後、該円錐台筒状三次元繊維構造体を周方向と直交する方向に切断して展開することにより扇面板状の三次元繊維構造体を形成する。

この発明では、繊維束配列用治具の円錐台の周面をなす形状の繊維配列部上に、少なくとも前記円錐台の端部と平行に配列される糸からなる糸層を含む複数の糸層が積層されて少なくとも２軸配向となる積層糸群が形成される。そして、配列された積層糸群が繊維束配列用治具に保持された状態で厚さ方向糸により結合されて、扇面板状部を有する三次元繊維構造体が形成される。従って、扇面板状部を有する三次元繊維構造体を構成する糸（繊維束）のうち、三次元繊維構造体の長手方向に沿って延びる繊維束（０度配列糸）を配列する際、繊維束に加わる張力を高めることで繊維束を繊維配列部上に容易に押圧することができる。その結果、繊維束を扁平な状態で、繊維配列部上に精度良く、同方向に平行に配列することができ、繊維束を高い繊維体積含有率の三次元繊維構造体が得られるように配列するのが容易になり、この三次元繊維構造体を強化材とした複合材の物性が向上する。

請求項７に記載の発明は、円錐台の周面又は円錐台の周面の一部をなす形状の繊維配列部を有する繊維束配列用治具を使用して、前記繊維束配列用治具の上に、少なくとも前記円錐台の端部と平行に配列される糸からなる糸層を含むように糸層を複数積層して少なくとも２軸配向となる積層糸群を形成する積層糸群形成工程を備えている。また、前記積層糸群を前記繊維束配列用治具に保持した状態で一方向へ間欠的に移動させて所定の位置において厚さ方向糸で順次結合する積層糸群結合工程を備えている。そして、前記積層糸群結合工程において前記厚さ方向糸で結合された積層糸群を順次前記繊維束配列用治具から取り外した後、所定長さに切断して扇面板状の三次元繊維構造体を形成する。

この発明では、請求項６に記載の発明の製造方法と異なり、０度配列糸が所定曲率で配列された扇面板状の三次元繊維構造体を連続的に製造することができ、扇面板状の三次元繊維構造体を効率良く製造することができる。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記繊維束配列用治具から順次取り外された前記厚さ方向糸で結合された積層糸群を扇面板状部が連続する形状の帯状三次元繊維構造体として保管した後、所定長さに切断して扇面板状の三次元繊維構造体を形成する。この発明では、繊維束配列用治具から順次取り外された積層糸群を直ちに所定長さに切断して扇面板状の三次元繊維構造体とするのではなく、帯状三次元繊維構造体として保管した後、所定長さに切断されて扇面板状の三次元繊維構造体が形成される。従って、長さの異なる三次元繊維構造体を自由に製造することができる。

請求項９に記載の発明は、請求項６〜請求項８のいずれか一項に記載の発明において、前記繊維配列部に対して前記円錐台の端部と平行に配列される糸は当該糸層を構成する全ての糸が同時に配列される。この発明では、円錐台の端部と平行に配列される糸を複数回に分けて配列する場合に比較して、効率良く、しかも互いに精度良く平行となるように配列するのが容易となる。

請求項１０に記載の発明は、長手方向と直交する断面形状が異形状で、長手方向に沿って湾曲形成された三次元繊維構造体の製造方法である。この製造方法では、請求項６〜請求項９のいずれか一項に記載の製造方法で製造された三次元繊維構造体を三次元繊維構造中間体として使用する。そして、前記三次元繊維構造中間体を複数厚さ方向に積層した状態で、少なくとも該三次元繊維構造中間体の一方の円弧状周縁部を残して結合糸により結合する三次元繊維構造中間体結合工程と、前記結合糸により結合されなかった円弧状周縁部を扇面板状部と直角に折り曲げる折り曲げ工程とを備えている。

この発明では、扇面板状の三次元繊維構造中間体が複数厚さ方向に積層された状態で、少なくとも該三次元繊維構造中間体の一方の円弧状周縁部を残して結合糸により結合される。その後、結合糸により結合されなかった円弧状周縁部が扇面板状部に対して直角に折り曲げられることにより、長手方向と直交する断面形状が異形状の三次元繊維構造体が形成される。従って、扇面板状の三次元繊維構造中間体を構成する糸（繊維束）のうち、三次元繊維構造中間体の長手方向に沿って延びる糸を精度良く、同方向に平行に配列することができ、三次元繊維構造体を強化材とした複合材の物性が向上する。

前記第４の目的を達成するため、請求項１１に記載の発明の複合材は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の三次元繊維構造体を強化材とした。この発明の複合材は、湾曲した形状の梁や円環状に連結された状態で使用されるのに適している。

請求項１〜請求項３に記載の発明によれば、湾曲した形状の梁や円環状に連結された状態で使用され、長手方向と直交する断面形状が異形状の繊維強化複合材を製造するための適切な強化材として使用することができる。請求項４に記載の発明によれば、請求項１〜請求項３に記載の発明の三次元繊維構造体を製造する際の三次元繊維構造中間体として適している。請求項５に記載の発明によれば、請求項１〜請求項４に記載の発明の三次元繊維構造体の各糸層の配列糸角度が一定でない場合に比較して、三次元繊維構造体の物性が良くなる。請求項６〜請求項９に記載の発明によれば、請求項４に記載の発明の三次元繊維構造体を簡単に製造することができる。また、請求項１０に記載の発明によれば、請求項１〜請求項３に記載の発明の三次元繊維構造体を簡単に製造することができる。請求項１１に記載の発明によれば、湾曲した形状の梁や円環状に連結された状態で使用されるのに適している。

（第１の実施形態）
以下、本発明をＩ形（Ｉ字状）の断面形状の三次元繊維構造体に具体化した第１の実施形態を図１〜図５に従って説明する。

図１（ａ）は三次元繊維構造体１１の模式斜視図、（ｂ）は配列糸の配列状態を示す三次元繊維構造中間体の模式斜視図、（ｃ）は厚さ方向糸の配列状態を示す三次元繊維構造中間体の模式斜視図、（ｄ）及び（ｅ）は製造途中の三次元繊維構造体の模式斜視図である。図２は繊維束配列用治具の模式斜視図、図３（ａ）は繊維束配列用治具の断面を示し（ｂ）のＡ−Ａ線における模式断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における模式断面図である。図４（ａ）は配列角度−４５度の繊維束の配列状態を示す模式斜視図、（ｂ）は配列角度９０度の繊維束の配列状態を示す模式斜視図、図５（ａ）は配列角度０度の繊維束の配列状態を示す模式斜視図、（ｂ）は配列角度＋４５度の繊維束の配列状態を示す模式斜視図である。

図１（ａ）に示すように、三次元繊維構造体１１は、長手方向と直交する断面形状が異形状で、長手方向に沿って湾曲形成されている。三次元繊維構造体１１は、Ｉ形の断面形状に対応して、板状部としての１個の扇面板状部１１ａと、扇面板状部１１ａの下端において扇面板状部１１ａと直角を成すように両側に形成された板状部１１ｂと、扇面板状部１１ａの上端において扇面板状部１１ａと直角を成すように両側に形成された板状部１１ｃとから構成されている。即ち、三次元繊維構造体１１は互いに直角を成す複数の板状部を有する異形断面に形成されている。そして、三次元繊維構造体１１は、長手方向に沿って一定の曲率で湾曲形成されている。湾曲の状態は使用目的によって異なるが、例えば航空機の胴体の構造材として使用する場合、曲率半径が数ｍ（２〜５ｍ）程度となる。

三次元繊維構造体１１の各部の寸法は、例えば航空機の胴体の環状部を構成する構造材に使用する場合、扇面板状部１１ａの高さＨが７０〜１２０ｍｍ、板状部１１ｂの幅Ｗが１５〜４０ｍｍに形成される。また、長さＬは環状部を構成する構造材の数及び曲率半径によって変化するが、曲率半径が５ｍ、個数を４個とすれば、約８ｍに形成される。

三次元繊維構造体１１は、その両端部が、複数の三次元繊維構造体を長手方向の端部同士で連結した際に、円環を形成可能な形状に形成されている。三次元繊維構造体１１は、その両端面の延長部の成す角度の二等分線が三次元繊維構造体１１の中心を通過するように形成されている。

三次元繊維構造体１１は、同心の円弧状に配列された０度配列糸からなる糸層を含む少なくとも２軸配向（この実施形態では、４軸配向）となる積層糸群が厚さ方向糸で結合されて形成された扇面板状の三次元繊維構造中間体１２（三次元繊維構造体）から構成されている。そして、三次元繊維構造中間体１２が、複数厚さ方向に積層された状態で一部が結合糸（ステッチ）１３により結合されるとともに、三次元繊維構造中間体１２の円弧状周縁部が扇面板状部１１ａと直角に両側に折り曲げられている。

図１（ｂ）に示すように、三次元繊維構造中間体１２を構成する積層糸群１４は、０度配列糸１５と、９０度配列糸１６と、＋４５度配列糸１７と、−４５度配列糸１８とから構成されている。０度配列糸１５は同一中心の円弧を構成するように、即ち同心の円弧状に、互いに平行に配列されている。９０度配列糸１６は０度配列糸１５と直交するように配列されており、＋４５度配列糸１７は０度配列糸１５に対して＋４５度の角度で配列されており、−４５度配列糸１８は０度配列糸１５に対して−４５度の角度で配列されている。即ち、扇面板状部１１ａ内では、積層糸群１４の各糸層の配列糸角度は前記同心の円弧状に配列された０度配列糸１５に対して一定である。

そして、図１（ｃ）に示すように、積層糸群１４が厚さ方向糸ｚで結合されて三次元繊維構造中間体１２が構成されている。各配列糸１５〜１８には炭素繊維製の繊維束が使用され、厚さ方向糸ｚにはポリアラミド繊維製の繊維束が使用されている。炭素繊維製の繊維束は炭素繊維の無撚りのマルチフィラメントからなり、マルチフィラメントはフィラメント数が３０００〜２４０００本程度である。

次に三次元繊維構造体１１の製造方法について説明する。
三次元繊維構造体１１の製造方法は、積層糸群形成工程と、三次元繊維構造中間体形成工程（積層糸群結合工程）と、三次元繊維構造中間体結合工程と、折り曲げ工程とを備えている。

先ず三次元繊維構造中間体１２としての三次元繊維構造体の製造に使用する繊維束配列用治具の構成を説明する。繊維束配列用治具は積層糸群形成工程と、三次元繊維構造中間体形成工程とに使用される。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、繊維束配列用治具１９は、ベースプレート２０上に立設された支柱２１に対して、繊維配列部としての円錐台筒状の支持プレート２２がブラケット２３を介して固定されている。支持プレート２２は、その両端部の周長が形成すべき扇面板状の三次元繊維構造中間体１２の両端の円弧部の長さと等しくなるように形成されている。図２に示すように、支持プレート２２には一箇所にその幅方向に沿って延びる開口部２２ａが形成されている。

支持プレート２２の一端（この実施形態では上端）側には、小径の支持リング２４が支柱２１に対してアーム部２４ａで支持された状態で、支柱２１及び支持プレート２２に対して回転可能に支持されている。支持プレート２２の他端（この実施形態では下端）側には、大径の支持リング２５がベースプレート２０上に設けられた支持筒２６上において支持筒２６及び支持プレート２２に対して回転可能に支持されている。

支持リング２４，２５の外径はそれぞれ支持プレート２２の端部の外径とほぼ同じに形成されている。両支持リング２４，２５の内面には内歯車２４ｂ，２５ａが形成されている。両内歯車２４ｂ，２５ａは、径及び歯数が同じに形成されている。ベースプレート２０上には、両支持リング２４，２５の内側の位置に回転軸２７が上下方向に延びるように配設されている。回転軸２７には内歯車２４ｂに歯噛する歯車２８と、内歯車２５ａに歯噛する歯車２９とが一体回転可能に固定されている。回転軸２７は図示しない、歯車あるいは巻き掛け伝動機構等を介してモータにより回転駆動されるようになっている。即ち、両支持リング２４，２５は回転軸２７の回転に伴い歯車２８，２９を介して同じ回転速度で回転されるようになっている。なお、回転軸２７の上端は、支持リング２４と干渉しない高さに設定されている。また、内歯車２４ｂ，２５ａの歯の図示を省略している。

図２に示すように、支持リング２４，２５には多数のピン３０が、支持リング２４，２５の外側に向かって突出するようにそれぞれ所定ピッチで固定されている。両支持リング２４，２５にはそれぞれ同数のピン３０が固定されており、各ピン３０の固定位置は、繊維束配列用治具１９の外周面を扇面状に展開した状態で、両支持リング２４，２５のピン３０が扇面の周縁の曲率中心を通る直線上に存在するように設定されている。支持プレート２２、支持リング２４，２５及びピン３０が円錐台の周面をなす形状の繊維配列部を構成する。

なお、図３（ａ），（ｂ）ではピン３０の図示を省略している。また、最終的に製造する複合材が、航空機の胴体フレームに使用され、その曲率半径が５ｍとすれば、扇面板状の三次元繊維構造中間体１２の曲率半径も５ｍとなる。そして、例えば、４個の複合材で円環を構成するとすれば、複合材の長さは７．８５ｍとなり、それに対応する三次元繊維構造中間体１２を製造するのに必要な繊維束配列用治具１９は、支持リング２４の半径が１．２５ｍ、支持リング２５の半径が１．２９ｍとなる。一方、三次元繊維構造中間体１２の幅は０．１５ｍ程度である。しかし、各図において、三次元繊維構造中間体１２の長さと幅の比や、繊維束配列用治具１９の径と幅の比は、実際の値と異なる値で図示している。

次に繊維束配列用治具１９を使用した三次元繊維構造中間体１２の形成方法を説明する。先ず繊維束配列用治具１９の外周面に糸層を複数積層して４軸配向となる積層糸群１４を形成する。糸層には、図５（ｂ）に示すように、支持プレート２２の周方向とほぼ＋４５度の角度を成すように配列される＋４５度配列糸１７により構成された＋４５度配列糸層３１、図４（ｂ）に示すように、支持プレート２２の周方向と直交する方向に配列される９０度配列糸１６により構成された９０度配列糸層３２がある。また、糸層には、図５（ａ）に示すように、支持プレート２２の周方向に沿って配列される０度配列糸１５により構成された０度配列糸層３３、図４（ａ）に示すように、支持プレート２２の周方向とほぼ−４５度の角度を成すように配列される−４５度配列糸１８により構成された−４５度配列糸層３４がある。

９０度配列糸１６、＋４５度配列糸１７及び−４５度配列糸１８は、それぞれ支持リング２４，２５のピン３０に係止された状態で折り返すようにして配列される。但し、図示の都合上、図４（ａ），（ｂ）、図５（ｂ）では、各配列糸１６〜１８がピン３０に係止された部分の図示を省略している。各配列糸１６〜１８は、一端が支持リング２４，２５の一方に固定された状態で配列が開始される。０度配列糸１５は、一端が支持プレート２２に固定された状態で配列が開始される。０度配列糸１５は、全ての糸が同時に配列される。

各配列糸１６〜１８は、１本の糸を順次、支持リング２４，２５のピン３０に係止された状態で折り返すよう配列しても、複数本の糸をピン３０の配列ピッチに対応した間隔で供給可能なヘッドを使用して同時に配列してもよい。各配列糸１６〜１８がピン３０に係止された状態で折り返す際には、前記ヘッドは配列糸の本数に対応した距離周方向に沿って移動した後、折り返す。

各糸層３１〜３４の配置順序には特に制限はないが、＋４５度配列糸層３１と−４５度配列糸層３４との間に９０度配列糸層３２及び０度配列糸層３３が配置される構成が好ましい。

各糸層３１〜３４が所定層（例えば、各糸層３１〜３４が２層ずつ）積層されて繊維束配列用治具１９上に積層糸群１４が形成された後、積層糸群１４を繊維束配列用治具１９に保持した状態で厚さ方向糸ｚによる積層糸群１４の各糸層の結合が行われる。厚さ方向糸ｚによる結合、即ち厚さ方向糸ｚの積層糸群１４への挿入は、基本的には本願出願人が先に提案した特許文献４に記載の装置と同様に構成された厚さ方向糸挿入装置を使用して行われる。厚さ方向糸挿入装置は、厚さ方向糸挿入針３５が一列に固定された針支持体３６を、支持プレート２２の開口部２２ａと対応する位置において往復移動可能に構成されている。針支持体３６は厚さ方向糸挿入針３５が繊維束配列用治具１９に保持された積層糸群１４と係合不能な待機位置と、針孔（図示せず）が積層糸群１４の反対側となる位置まで積層糸群１４を貫通する作用位置とに移動される。

そして、針支持体３６の往動により、厚さ方向糸挿入針３５が積層糸群１４を貫通して、厚さ方向糸ｚの厚さ方向糸挿入針３５に保持されている部分が積層糸群１４の裏側から突出する状態となる。その状態から針支持体３６が僅かに復動され、厚さ方向糸挿入針３５に連なる各厚さ方向糸ｚがループ状となる。その状態で各厚さ方向糸ｚのループ部に耳糸（抜け止め糸）が挿通された後、針支持体３６が待機位置まで復動され、厚さ方向糸ｚが折り返し状に挿入される。

次に両支持リング２４，２５が厚さ方向糸ｚの１ピッチ分回動され、積層糸群１４が開口部２２ａに対して同じ距離移動される。その状態で再び針支持体３６が前記と同様に駆動され、次の箇所に厚さ方向糸ｚが折り返し状に挿入される。以下、両支持リング２４，２５の回動と、針支持体３６の往復移動とが交互に行われ、両支持リング２４，２５が１回転した後、針支持体３６の往復移動が終了した時点で、積層糸群１４への厚さ方向糸ｚの挿入作業、即ち積層糸群１４の結合作業が完了し、円錐台筒状三次元繊維構造体が形成される。

前記ヘッドにより各配列糸１５〜１８の配列が行なわれる段階が積層糸群形成工程となる。また、積層糸群１４が開口部２２ａと対応する位置で厚さ方向糸挿入針３５によって厚さ方向糸ｚの挿入が行なわれ、積層糸群１４が厚さ方向糸ｚにより結合される段階が三次元繊維構造中間体形成工程（積層糸群結合工程）となる。

次に積層糸群１４が一箇所で９０度配列糸１６の配列方向に沿って切断される。即ち、円錐台筒状三次元繊維構造体が周方向と直交する方向に切断された後、各配列糸１６〜１８のピン３０に係止された部分が順次取り外されて、展開されることにより三次元繊維構造中間体１２の形成が完了する。

次に三次元繊維構造中間体結合工程が実施される。三次元繊維構造中間体結合工程では、図１（ｄ）に示すように、２枚の三次元繊維構造中間体１２が厚さ方向に積層された状態で、三次元繊維構造中間体１２の両方の円弧状周縁部を残して結合糸１３により結合される。

次に折り曲げ工程が実施される。折り曲げ工程では、図１（ｅ）に示すように、結合糸１３により結合されなかった円弧状周縁部が扇面板状部１１ａと直角に折り曲げられる。円弧状周縁部は、扇面板状部１１ａに対して両側に直角に突出するように折り曲げられる。そして、両側に折り曲げられた部分に、別の三次元繊維構造中間体１２が結合糸１３によって結合され、板状部１１ｂ，１１ｃが構成される。以上により図１（ａ）に示す三次元繊維構造体１１の製造が完了する。

前記のように形成された三次元繊維構造体１１に、熱硬化性樹脂が含浸、硬化されることにより、異形断面でしかも長手方向に湾曲した形状の複合材が形成され、軽量、高強度、高剛性の構造材として例えば航空機の胴体の環状部を構成するように使用される。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ビニルエステル樹脂等が使用される。

この実施の形態では以下の効果を有する。
（１） 三次元繊維構造体１１は、長手方向と直交する断面形状が異形状で、長手方向に沿って湾曲形成され、その両端部が、複数の三次元繊維構造体１１を長手方向の端部同士で連結した際に、円環を形成可能な形状に形成されている。従って、三次元繊維構造体１１に樹脂等のマトリックスを含浸、硬化させて繊維強化複合材を製造すれば、湾曲した形状の梁や円環状に連結された状態で使用される繊維強化複合材として好適に使用することができる。

（２） 三次元繊維構造体１１は、扇面板状で、かつ該扇面の両端部の延長線の成す角度の二等分線が扇面を二等分する形状の三次元繊維構造中間体１２が、複数厚さ方向に積層された状態で一部が結合糸１３により結合されている。三次元繊維構造中間体１２は同心の円弧状に配列された０度配列糸１５からなる０度配列糸層３３を含む少なくとも２軸配向となる積層糸群１４が厚さ方向糸ｚで結合されて形成されている。そして、三次元繊維構造中間体１２の円弧状周縁部が扇面板状部１１ａと直角に折り曲げ形成されている。従って、三次元繊維構造体１１に樹脂等のマトリックスを含浸、硬化させて繊維強化複合材を製造すれば、湾曲した形状の梁や円環状に連結された状態で使用される繊維強化複合材として好適に使用することができる。

（３） 三次元繊維構造体１１は直角を成す複数の板状部１１ｂ，１１ｃ及び扇面板状部１１ａを有する異形断面に形成されている。従って、三次元繊維構造体１１を強化材とした複合材を梁等の構造材に使用すると、矩形断面の場合に比較して同じ重量であれば曲げモーメントが大きくなり、同じ曲げモーメントの構造材とする場合には軽量化できる。

（４） 三次元繊維構造体１１はＩ形の異形断面に形成されている。従って、三次元繊維構造体１１は、航空機の胴体の構造材に使用する繊維強化複合材の強化材として好適である。

（５） 複合材は、三次元繊維構造体１１を強化材とし、熱硬化性樹脂をマトリックスとして構成されている。従って、マトリックスも炭素化されたカーボン／カーボン複合材に比較して耐熱性は劣るが、航空機の構造材としては十分な耐熱性を有し、カーボン／カーボン複合材に比較して製造が容易で、コストも安くなる。

（６） 扇面板状の三次元繊維構造中間体１２を複数厚さ方向に積層した状態で、該三次元繊維構造中間体１２の円弧状周縁部を残して結合糸１３により結合し、その後、結合糸１３により結合されなかった円弧状周縁部を扇面板状部１１ａと直角に折り曲げることにより、三次元繊維構造体１１を形成する。従って、異形断面で長手方向に湾曲した三次元繊維構造体１１を、三次元ブレーダや三次元織機で製造するより、容易に形成することができる。

（７） 円錐台状の繊維配列部を有する繊維束配列用治具１９を使用し、その繊維束配列用治具１９の上に、４軸配向となる積層糸群１４を形成し、その積層糸群１４を厚さ方向糸ｚで結合して円錐台筒状の三次元繊維構造体を形成する。従って、扇面板状の三次元繊維構造中間体１２を構成する糸（繊維束）のうち、三次元繊維構造中間体１２の長手方向に沿って延びる糸（０度配列糸１５）を配列する際、繊維束に加わる張力を高めることで繊維束を繊維配列部上（支持プレート２２の表面）に容易に押圧することができる。その結果、繊維束を扁平な状態で、繊維配列部上に精度良く、同方向に平行に配列することができ、繊維束を高い繊維体積含有率の三次元繊維構造体が得られるように配列するのが容易になり、この三次元繊維構造体１１を強化材とした複合材の物性が向上する。

（８） 各糸層３１〜３４は同時に配列する必要がないため、各配列糸１５〜１８を配列する配列ヘッドを各配列糸１５〜１８毎に設ける必要がない。従って、配列ヘッドを共用することで部品点数を少なくできる。

（９） 繊維配列部に対して円錐台の端部と平行に配列される糸（０度配列糸１５）は０度配列糸層３３を構成する全ての糸が同時に配列される。従って、円錐台の端部と平行に配列される糸を複数回に分けて配列する場合に比較して、効率良く、しかも互いに精度良く平行となるように配列するのが容易となる。

（第２の実施形態）
次に第２の実施形態を図６及び図７に従って説明する。この実施の形態では、三次元繊維構造中間体１２の製造方法が前記第１の実施形態と異なっており、三次元繊維構造中間体１２から三次元繊維構造体１１を製造する工程は前記第１の実施形態と同じである。つまり、三次元繊維構造中間体結合工程と折り曲げ工程は同じである。前記第１の実施形態では、円錐台筒状の三次元繊維構造体を形成した後、一箇所で切断して展開することで扇面板状の三次元繊維構造中間体１２を１個ずつ製造した。それに対して、この実施形態では、扇面板状が連続する形状の帯状三次元繊維構造体を形成するとともに、その帯状三次元繊維構造体を所定の長さに切断して三次元繊維構造中間体１２を形成する点が前記第１の実施形態と大きく異なっている。第１の実施形態と同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。

図６は帯状三次元繊維構造体の製造時において０度配列糸１５を配列している状態の模式斜視図であり、図７は各糸層３１〜３４が２層ずつ積層された帯状三次元繊維構造体を形成する際の各配列糸１５〜１８の配列状態を示す模式展開図である。なお、帯状三次元繊維構造体は、実際は湾曲しているが図示の都合上、直線状に図示している。

この実施形態で使用される繊維束配列用治具１９は、基本的に前記第１の実施形態で使用されるものと同じであるが、所定の層数積層されるとともに厚さ方向糸ｚで結合された積層糸群１４を順次ピン３０から取り外すのを容易とするため、ピン３０の長さをあまり長くしない。また、厚さ方向糸ｚで結合された積層糸群１４を順次ピン３０から取り外すガイドが必要に応じて設けられる。

この実施形態では、準備段階を除き、各糸層３１〜３４を構成する各配列糸１５〜１８の配列が同時に、それぞれ所定の領域において行われる。従って、前記実施形態の場合と異なり、各糸層３１〜３４の各配列糸１５〜１８毎に配列ヘッドが設けられる。そして、０度配列糸１５を配列する配列ヘッドは所定位置に保持され、９０度配列糸１６、＋４５度配列糸１７及び−４５度配列糸１８を配列する配列ヘッドは、それぞれ所定位置で往復移動される。

図７に示すように、各配列糸１５〜１８の配列に必要な領域毎に、各配列糸１５〜１８を供給するための配列ヘッド４３ａ，４３ｂ，４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｂが配置される。配列ヘッド４２ａ，４２ｂは＋４５度配列糸１７を配列し、配列ヘッド４３ａ，４３ｂは０度配列糸１５を配列し、配列ヘッド４４ａ，４４ｂは９０度配列糸１６を配列し、配列ヘッド４５ａ，４５ｂは−４５度配列糸１８を配列する。

配列ヘッド４３ａ，４３ｂは複数本の０度配列糸１５を同時に配列するが、他の配列ヘッド４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｂは＋４５度配列糸１７、９０度配列糸１６、−４５度配列糸１８をそれぞれ１本ずつ配列可能に構成されている。

この実施形態では次のようにして帯状三次元繊維構造体４１が形成される。先ず、準備段階とし、１層目の−４５度配列糸１８の配列が開口部２２ａの近傍から開始され、配列ヘッド４５ａが所定の配列領域と対応する位置に配置される。次に１層目の９０度配列糸１６の配列が開口部２２ａの近傍から開始され、配列ヘッド４４ａが所定の配列領域と対応する位置に配置される。次に１層目の０度配列糸１５の配列が開口部２２ａの近傍から開始され、配列ヘッド４３ａが所定の配列領域と対応する位置に配置される。次に１層目の＋４５度配列糸１７の配列が開口部２２ａの近傍から開始され、配列ヘッド４２ａが所定の配列領域と対応する位置に配置される。次に２層目の−４５度配列糸１８の配列が開口部２２ａの近傍から開始され、配列ヘッド４５ｂが所定の配列領域と対応する位置に配置される。次に２層目の９０度配列糸１６の配列が開口部２２ａの近傍から開始され、配列ヘッド４４ｂが所定の配列領域と対応する位置に配置される。次に２層目の０度配列糸１５の配列が開口部２２ａの近傍から開始され、配列ヘッド４３ｂが所定の配列領域と対応する位置に配置される。次に２層目の＋４５度配列糸１７の配列が開口部２２ａの近傍から開始され、配列ヘッド４２ｂが所定の配列領域と対応する位置に配置される。

なお、各配列糸１５〜１８の端部は、図示しない端部固定部材に固定される。前記端部固定部材は、初期状態には開口部２２ａの近くに配置され、製織が開始されると間欠的に移動されて、製織された帯状三次元繊維構造体４１を巻き取る巻き取り部に固定されるようになっている。

前記準備段階が終了した後、帯状三次元繊維構造体４１の製織が開始される。製織開始により、両支持リング２４，２５が間欠的に駆動されるとともに、各配列ヘッド４２ａ〜４５ａ，４２ｂ〜４５ｂにより各配列糸１５〜１８の配列が各配列領域において行われる。そして、２層目の＋４５度配列糸１７の配列領域で＋４５度配列糸１７が配列された部分が、各配列糸１５〜１８が２層ずつ合計８層の糸層で構成された積層糸群１４となり、当該部分が開口部２２ａと対応する状態で厚さ方向糸挿入針３５によって厚さ方向糸ｚの挿入が行われ、積層糸群１４が厚さ方向糸ｚにより結合される。

各配列ヘッド４２ａ〜４５ａ，４２ｂ〜４５ｂにより各配列糸１５〜１８の配列が各配列領域において行われる段階が積層糸群形成工程となる。また、積層糸群１４に開口部２２ａと対応する位置で厚さ方向糸挿入針３５によって厚さ方向糸ｚの挿入が行われ、積層糸群１４が厚さ方向糸ｚにより結合される段階が積層糸群結合工程となる。

積層糸群１４は、厚さ方向糸ｚの挿入が完了するまではピン３０に係止された状態に保持され、厚さ方向糸ｚの挿入が完了した後、順次ピン３０との係合が解除される。炭素繊維は殆ど伸びないため、ピン３０に係止されていた配列糸１６〜１８がピン３０から取り外されても、帯状三次元繊維構造体４１はちぢまず、帯状三次元繊維構造体４１を順次取り外しても支障はない。

両支持リング２４，２５は、厚さ方向糸ｚの挿入作業が行われている時に停止されるように間欠的に駆動される。製織された帯状三次元繊維構造体４１は図示しない巻き取り部によって巻き取られる。即ち、帯状三次元繊維構造体４１は、厚さ方向糸ｚによる結合が終了した部分から順次繊維束配列用治具１９から取り外されて巻取り部に巻き取られる。なお、帯状三次元繊維構造体４１をピン３０から外す箇所には図示しない取り外しガイドが設けられている。

この実施形態では第１の実施形態の（１）〜（７）及び（９）と同様な効果を有する他に次の効果を有する。
（１０） 三次元繊維構造中間体１２の形成が、扇面板状部が連続する形状の帯状三次元繊維構造体４１を形成するとともに、厚さ方向糸ｚによる結合が終了した部分から帯状三次元繊維構造体４１を順次繊維束配列用治具４６から取り外し、その後、帯状三次元繊維構造体４１を所定の長さに切断することにより行われる。従って、所定曲率の扇面板状の三次元繊維構造中間体１２を効率良く製造することができ、ひいては長手方向と直交する断面形状が異形状で、長手方向に沿って湾曲形成された三次元繊維構造体１１を効率良く製造することができる。

（１１） 帯状三次元繊維構造体４１を形成する際、厚さ方向糸ｚによる結合が終了した部分から帯状三次元繊維構造体４１を順次繊維束配列用治具１９から取り外すとともに巻き取り部で巻き取る。従って、長尺の帯状三次元繊維構造体４１を形成して保管しておき、必要に応じて順次切断して三次元繊維構造中間体１２を製造することができる。また、長さの異なる三次元繊維構造中間体１２を自由に製造することができる。

（１２） ０度配列糸１５を配列する配列ヘッド４３ａ，４３ｂは、準備段階以後は、一定位置に保持されていればよく、他の配列糸１６〜１８を配列する配列ヘッド４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｂは準備段階以後は、所定の配列領域と対応する位置を移動すればよく、移動のために大きなスペースを確保する必要がない。

（第３の実施形態）
次に第３の実施形態を図８及び図９に従って説明する。この実施の形態では、扇面板状部が連続する形状の帯状三次元繊維構造体４１を形成し、その帯状三次元繊維構造体４１を所定の長さに切断して三次元繊維構造中間体１２を形成する点は前記第２の実施形態と同じであるが、繊維束配列用治具の構成が大きく異なっている。図８は繊維束配列用治具の要部模式斜視図、図９は同じく繊維束配列用治具の一組のベルトの間で切断した模式断面図である。

繊維束配列用治具１９では、支持プレート２２に対して支持リング２４，２５が相対回転可能に設けられているが、この実施形態の繊維束配列用治具４６では、両支持リング２４，２５間の繊維配列部が両支持リング２４，２５と同期して回転される。また、前記繊維配列部に規制ピンが設けられている点が第２の実施形態と異なっている。第２の実施形態と同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。

この実施形態においては、両支持リング２４，２５の間に設けられる繊維配列部は、両支持リング２４，２５のほぼ半周の部分と対応する箇所に設けられている。繊維配列部は図８に示すように、一組の無端状のベルト４７ａ，４７ｂ間に上下方向に延びるように所定間隔で固定されたプレート４８を備え、各プレート４８には規制ピン４９が突設されている。図９に示すように、ベルト４７ａ，４７ｂは、それぞれ駆動プーリ５０、被動プーリ５１及びガイドプレート５２に巻き掛けられ、駆動プーリ５０の回転に伴ってほぼ半円状の周回軌道を描くように構成されている。両ベルト４７ａ，４７ｂは両支持リング２４，２５と同期してそれぞれ同じ速度で駆動されるようになっている。なお、図では規制ピン４９を分かり易く、ピン３０より大きく図示しているが、実際は規制ピン４９が駆動プーリ５０の近くで積層糸群１４から離脱し易いように短く形成されている。

両支持リング２４，２５の間には、両ベルト４７ａ，４７ｂの周回領域以外の部分に、円錐台筒をほぼ半分に切断した形状の支持プレート５３が、支柱２１に支持された状態で配設されている。支持プレート５３には駆動プーリ５０の近くに厚さ方向糸挿入針３５が侵入可能な開口部５３ａが形成されている。開口部５３ａの位置は、開口部５３ａと対応する箇所を移動する積層糸群１４からは規制ピン４９が離脱されており、積層糸群１４の上下両端はピン３０に係止された状態に保持され、厚さ方向糸ｚが開口部５３ａにおいて積層糸群１４に挿入された後、ピン３０が積層糸群１４から離脱し易い位置に設定されている。

また、図９では理解を容易にする為、プレート４８および支持プレート５３が支柱２１と同じく垂直に配置され、支持リング２５の周面上にプレート４８が動くように図示しているが、実際にはプレート４８および支持プレート５３は円錐台筒の側面を形成している為、支柱２１に対して傾いて配置されている。

この実施形態では、第２の実施形態と同様に、準備段階が行われて８箇所に配列ヘッド４２ａ〜４５ａ，４２ｂ〜４５ｂが配置された状態で、支持リング２４，２５が間欠的に回転されるとともに、支持リング２４，２５の停止中に厚さ方向糸ｚの積層糸群１４への挿入が行われる。そして、支持リング２４，２５の回転と同期して両ベルト４７ａ，４７ｂが共に移動される。

従って、この実施形態では第２の実施形態と同様な効果を有する他に次の効果を有する。
（１３） 両支持リング２４，２５間に配設された繊維配列部を構成するプレート４８が両支持リング２４，２５の回転と同期して移動される。従って、前記第２の実施形態や第１の実施形態と異なり、積層糸群１４が繊維配列部の表面上を摺動することがなく、積層糸群１４の繊維配列部と対向する位置にある繊維束が毛羽立つのを防止することができる。

（１４） ０度配列糸１５に張力を加えて０度配列糸１５を繊維配列部に圧接させて配列させる際、プレート４８の傾斜角度によっては０度配列糸１５が上方にずれる虞がある。しかし、繊維配列部（プレート４８）に規制ピン４９が突設されているためそのような虞がなく、０度配列糸１５を所定の位置に精度良く配列することができる。

なお、実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 第２及び第３の実施形態のように帯状三次元繊維構造体４１を連続的に形成する方法において、積層糸群１４を移動させる構成として、一組の支持リング２４，２５を使用する構成に代えて、図１０に示すように、無端状のベルト５４で構成してもよい。図１０は図９に対応する模式断面図である。両ベルト５４は、駆動プーリ５５、被動プーリ５６及びガイドプレート５７に巻き掛けられ、駆動プーリ５５の回転に伴ってほぼ半円状の周回軌道を描くように構成されている。ベルト５４の外周面には一定間隔でピン５８がベルト５４と垂直に突設されている。ガイドプレート５７はピン５８が所定の曲面に沿って移動可能な曲率の円弧状に形成されている。両ベルト５４は同期してそれぞれ円弧部を同じ角速度で駆動されるようになっている。この構成では、支持リング２４，２５を使用する構成に比較して繊維束配列用治具４６を小型化できる。

○ 繊維束配列用治具１９として支持プレート２２が円錐台筒状に限らず、図１１（ａ）に示すように、円錐台筒状部の上側に支持リング２４と同径の円筒部２２ｂが形成され、下側に支持リング２５と同径の円筒部２２ｃが形成された形状としてもよい。また、図１１（ｂ）に示すように、円錐台筒状部の下側に支持リング２５と同径の円筒部２２ｃが形成された形状としてもよい。図１１（ａ）に示す形状の繊維束配列用治具１９を使用した場合は、図１２に示す形状、即ち扇面状部１２ａの両周縁に帯状部１２ｂを有する形状の三次元繊維構造中間体１２が得られる。この場合、円筒部２２ｂ，２２ｃと対応する部分の、扇状の部分の対応する周縁と平行に延びる円弧の長さは等しくなる。従って、円筒部２２ｂ，２２ｃと対応する部分を扇面板状部１１ａと直角に折り曲げることにより、フランジ部の長さが一定な三次元繊維構造体１１を得ることができる。

○ 三次元繊維構造体１１の断面形状はＩ字状に限らず、図１３（ａ）に示すように、ＪとＴとが組み合わされたＪ／Ｔ形としたり、図１３（ｂ）に示すように、Ｔ字状としたり、その他、Ｌ字状、Ｈ字状等、扇面板状部１１ａと直角を成す屈曲部を有する形状であってもよい。

○ 扇面板状部１１ａに対して直角に折り曲げられた板状部１１ｂ，１１ｃに別の三次元繊維構造中間体１２を重ねて結合糸１３で結合しなくてもよい。しかし、別の三次元繊維構造中間体１２を結合した方が三次元繊維構造体１１の形状が安定するとともに強度が高くなる。

〇 板状部１１ｂ，１１ｃは扇面板状部１１ａに対して直角に折り曲げられた構成に限らず、扇面板状部１１ａに対して斜めになるように折り曲げられた構成でもよい。
○ 配列糸１５〜１８の配列順序は、帯状三次元繊維構造体４１を連続的に形成する場合には、０度配列糸１５以外の配列糸１６〜１８が最初に配列されればよく、繊維束配列用治具１９を使用してバッチ操作的に三次元繊維構造中間体１２を形成する場合は配列順序は自由である。しかし、４軸配向の場合、＋４５度配列糸１７と−４５度配列糸１８との間に０度配列糸１５及び９０度配列糸１６が配列されるのが好ましい。

○ 三次元繊維構造体１１を構成する扇面板状部１１ａ及び板状部１１ｂ，１１ｃは、同心の円弧状に配列された０度配列糸１５からなる糸層３３を含む少なくとも２軸配向となる積層糸群１４が厚さ方向糸で結合されて形成されていればよい。例えば、積層糸群１４は、０度配列糸１５と、９０度配列糸１６とで面内２軸配向としたり、０度配列糸１５、＋４５度配列糸１７及び−４５度配列糸１８で３軸配向としてもよい。積層糸群１４の配向をどのようにするかは、三次元繊維構造体１１を強化材とする複合材に要求される強度によって決められ、４軸配向が全ての方向に対して強度が高くなる。

○ 第１の実施形態のように、円錐台の周面全体が繊維配列部を構成する治具を使用してバッチ操作で三次元繊維構造中間体１２を形成する場合、繊維束配列用治具１９として複数の三次元繊維構造中間体１２を形成可能な大きさのものを使用して、一度に複数の三次元繊維構造中間体１２を形成するようにしてもよい。

○ 第２及び第３の実施形態のように帯状三次元繊維構造体４１を連続的に形成する方法において、帯状三次元繊維構造体４１を巻き取り部に巻き取って保管せずに、帯状三次元繊維構造体４１が所定長さ形成された段階で切断し、順次三次元繊維構造中間体１２を形成するようにしてもよい。帯状三次元繊維構造体４１を巻き取り部に巻き取って保管する場合は、帯状三次元繊維構造体４１に不要な曲げ力が作用した状態で保管されるため、好ましくない。しかし、三次元繊維構造中間体１２の状態で保管すればそのようなことがない。

○ 第２及び第３の実施形態のように帯状三次元繊維構造体４１を連続的に形成する方法において、配列ヘッド４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｂとして配列糸を１本ずつ配列する構成に限らず、複数本同時に配列する構成としてもよい。

○ 第２及び第３の実施形態のように帯状三次元繊維構造体４１を連続的に形成する方法において、準備段階で各層の配列糸が各配列ヘッドによって開口部２２ａ（５３ａ）の近傍から所定の配列領域と対応する位置まで配列されてから製織が開始されるが、この方法に限らない。各配列ヘッドが所定の配列領域から配列を始めつつ、製織が開始されても良い。この場合、帯状三次元繊維構造体４１の織りはじめ側の端部は積層が不完全となるが、途中から完全な積層な帯状三次元繊維構造体４１が得られる。従って準備段階が不要となる。

○ 第３の実施例において両支持リング２４，２５の間に設けられる繊維配列部は、両支持リング２４，２５のほぼ半周部分に限らない。各配列ヘッドによる配列が可能であれば、半周以上でも以下でもよい。

○ 各配列糸１５〜１８を配列する際、配列糸を構成する繊維束を拡げながら配列するのが好ましい。配列糸１５〜１８として炭素繊維を使用する場合、太い糸（繊維本数の多い糸）を使用するのが製造時間の短縮、コストの低減に有利であるが。太い糸（例えば、繊維本数が１２０００本を超える糸）を使用する場合は、糸を拡げながら配列する必要がある。

○ 第１〜第３の実施形態において、両支持リング２４，２５に突設されるピン３０の数あるいは、別の実施形態において、両ベルト５４に設けられるピン５８の数は必ずしも等しくなくてもよい。９０度配列糸１６が０度配列糸１５と直交する状態で配列されるのが三次元繊維構造体１１を強化材とした複合材の物性の面では好ましいが、要求性能によっては直交状態からずれていてもよく、その場合は両支持リング２４，２５のピン３０の数は等しくなくてもよい。また、ピン５８の数も同様である。

〇 扇面板状部１１ａ内で、積層糸群１４の各糸層の配列糸角度は同心の円弧状に配列された０度配列糸１５に対して一定でなくてもよい。
○ 繊維束として炭素繊維に限らず、複合材の用途に応じてボロン繊維、炭化ケイ素繊維等の無機繊維を使用したり、アラミド繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等の高強度・高弾性率の有機繊維の無撚りマルチフィラメントを使用してもよい。

○ 厚さ方向糸ｚとしてアラミド繊維の他に、炭素繊維、ガラス繊維、ポリエステル繊維を使用してもよい。ポリエステル繊維はアラミド繊維、炭素繊維、ガラス繊維に比較して強度が弱いが、結合強度が要求されない条件で使用することができる。

○ 炭素繊維や炭化ケイ素繊維等の無機繊維は一般に折り曲げに弱いため、三次元繊維構造中間体１２を炭素繊維や炭化ケイ素繊維等の無機繊維で形成し、その三次元繊維構造中間体１２を結合する結合糸１３にアラミド繊維やポリエステル繊維、超高分子量ポリエチレン繊維等の高強度・高弾性率の有機繊維を使用してもよい。ポリエステル繊維はアラミド繊維や超高分子量ポリエチレン繊維等に比較して強度が弱いが、結合強度が要求されない条件で使用することができる。

○ 複合材として、耐熱性の要求が高い場合は、炭素繊維で製造した三次元繊維構造体１１を使用し、樹脂を含浸、硬化させた後、焼成してカーボン／カーボン複合材を形成すればよい。

○ 複合材のマトリックス樹脂として、用途によっては熱硬化性樹脂ではなく熱可塑性樹脂を使用してもよい。しかし、マトリックス樹脂として熱硬化性樹脂を使用する方が、熱可塑性樹脂を使用した場合よりも高強度な複合材を製造できる。

以下の技術的思想（発明）は前記実施の形態から把握できる。
（１） 請求項６に記載の発明において、前記繊維束配列用治具から取り外された前記帯状三次元繊維構造体を順次所定の長さに切断して三次元繊維構造中間体を形成する。

（２） 請求項６〜請求項８及び前記技術的思想（１）のいずれか一項に記載の発明において、前記繊維束配列用治具は、円錐台の両端と対応する位置に互いに同期して同じ回転速度で間欠的に回転されるとともに配列糸が係止されるピンが突設された支持リングと、両支持リングの間に配設された円錐台筒状の繊維束配列部とを備えている。

（３） 前記技術的思想（２）に記載の発明において、前記繊維束配列部は前記両支持リングと同じ速度で移動可能に設けられている。
（４） 請求項２に記載の発明において、前記異形断面はＪ／Ｔ形である。

（ａ）は第１の実施形態の三次元繊維構造体の模式斜視図、（ｂ），（ｃ）は三次元繊維構造中間体の模式斜視図、（ｄ），（ｅ）は製造途中の三次元繊維構造体の模式斜視図。 繊維束配列用治具の模式斜視図。 （ａ）は繊維束配列用治具の（ｂ）のＡ−Ａ線における模式断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における模式断面図。 （ａ）は配列角度−４５度の繊維束の配列状態を示す模式斜視図、（ｂ）は配列角度９０度の繊維束の配列状態を示す模式斜視図。 （ａ）は配列角度０度の繊維束の配列状態を示す模式斜視図、（ｂ）は配列角度＋４５度の繊維束の配列状態を示す模式斜視図。 第２の実施形態の繊維束配列用治具の模式斜視図。 各配列糸の配列状態を示す模式展開図。 第３の実施形態の繊維束配列用治具の模式斜視図。 同じく繊維束配列用治具の一組のベルトの間で切断した模式断面図。 別の実施形態の図９に対応する模式断面図。 （ａ），（ｂ）は別の実施形態の繊維束配列用治具の模式斜視図。 別の実施形態の三次元繊維構造中間体の模式平面図（展開図）。 （ａ），（ｂ）は別の実施形態の三次元繊維構造体の模式斜視図。 らせん状織物の製造装置の平面図。 （ａ）〜（ｃ）は異形断面の三次元繊維構造体の製造方法を示す模式斜視図。 平板状の三次元繊維構造体を扇面状に切断した状態の模式図。

符号の説明

Ｌ…長さ、ｚ…厚さ方向糸、１１…三次元繊維構造体、１１ａ…扇面板状部、１１ｂ，１１ｃ…板状部、１２…三次元繊維構造中間体、１３…結合糸、１４…積層糸群、１５…０度配列糸、１９，４６…繊維束配列用治具、３１〜３４…糸層、４１…帯状三次元繊維構造体。

Claims (11)

1. 長手方向と直交する断面形状が異形状で、長手方向に沿って湾曲形成された三次元繊維構造体であって、同心の円弧状に配列された０度配列糸からなる糸層を含む少なくとも２軸配向となる積層糸群が厚さ方向糸で結合されて形成された扇面板状部を有し、かつ該扇面板状部の両端部が、複数の三次元繊維構造体を長手方向の端部同士で連結した際に、円環を形成可能な形状に形成されている三次元繊維構造体。
2. 長手方向と直交する断面形状が異形状で、長手方向に沿って湾曲形成された三次元繊維構造体であって、同心の円弧状に配列された０度配列糸からなる糸層を含む少なくとも２軸配向となる積層糸群が厚さ方向糸で結合されて形成された扇面板状部を有し、かつ該扇面板状部の両端部の延長線の成す角度の二等分線が扇面を二等分する形状の三次元繊維構造中間体が、複数厚さ方向に積層された状態で一部が結合糸により結合され、前記三次元繊維構造中間体の円弧状周縁部の少なくとも一方が折り曲げ形成されている三次元繊維構造体。
3. 前記三次元繊維構造体は互いに直角を成す複数の板状部を有する異形断面に形成されている請求項１又は請求項２に記載の三次元繊維構造体。
4. 同心の円弧状に配列された０度配列糸からなる糸層を含む少なくとも２軸配向となる積層糸群が厚さ方向糸で結合されて形成された扇面板状部を有する三次元繊維構造体。
5. 前記扇面板状部内では、前記積層糸群の各糸層の配列糸角度は前記同心の円弧状に配列された０度配列糸に対して一定である請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の三次元繊維構造体。
6. 円錐台の周面形状の繊維配列部を有する繊維束配列用治具を使用して、前記繊維束配列用治具の上に、少なくとも前記円錐台の端部と平行に配列される糸からなる糸層を含むように糸層を複数積層して少なくとも２軸配向となる積層糸群を形成する積層糸群形成工程と、
   前記積層糸群を前記繊維束配列用治具に保持した状態で厚さ方向糸で結合する積層糸群結合工程と
   を備え、
   円錐台筒状三次元繊維構造体を形成した後、該円錐台筒状三次元繊維構造体を周方向と直交する方向に切断して展開することにより扇面板状の三次元繊維構造体を形成する三次元繊維構造体の製造方法。
7. 円錐台の周面又は円錐台の周面の一部をなす形状の繊維配列部を有する繊維束配列用治具を使用して、前記繊維束配列用治具の上に、少なくとも前記円錐台の端部と平行に配列される糸からなる糸層を含むように糸層を複数積層して少なくとも２軸配向となる積層糸群を形成する積層糸群形成工程と、
   前記積層糸群を前記繊維束配列用治具に保持した状態で一方向へ間欠的に移動させて所定の位置において厚さ方向糸で順次結合する積層糸群結合工程と
   を備え、
   前記積層糸群結合工程において厚さ方向糸で結合された積層糸群を順次前記繊維束配列用治具から取り外した後、所定長さに切断して扇面板状の三次元繊維構造体を形成する三次元繊維構造体の製造方法。
8. 前記繊維束配列用治具から順次取り外された前記厚さ方向糸で結合された積層糸群を扇面板状部が連続する形状の帯状三次元繊維構造体として保管した後、所定長さに切断して扇面板状の三次元繊維構造体を形成する請求項７に記載の三次元繊維構造体の製造方法。
9. 前記繊維配列部に対して前記円錐台の端部と平行に配列される糸は当該糸層を構成する全ての糸が同時に配列される請求項６〜請求項８のいずれか一項に記載の三次元繊維構造体の製造方法。
10. 長手方向と直交する断面形状が異形状で、長手方向に沿って湾曲形成された三次元繊維構造体の製造方法であって、
    請求項６〜請求項９のいずれか一項に記載の製造方法で製造された三次元繊維構造体を三次元繊維構造中間体とし、該三次元繊維構造中間体を複数厚さ方向に積層した状態で、少なくとも該三次元繊維構造中間体の一方の円弧状周縁部を残して結合糸により結合する三次元繊維構造中間体結合工程と、
    前記結合糸により結合されなかった円弧状周縁部を折り曲げる折り曲げ工程と
    を備えた三次元繊維構造体の製造方法。
11. 請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の三次元繊維構造体を強化材とした複合材。

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