JP2013059947A - スキン・リブ構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】フィラーを用いることなく筒状組紐のコーナ部間の隙間を埋めることができ、製造コストを低減することができるスキン・リブ構造体を提供すること。
【解決手段】中間基材１３は、四つのコーナ部１２ａを有する四角筒状に形成されるとともにコーナ部１２ａに太型軸方向糸条２３ａが配列されてなる筒状組紐１２を四つ備える。中間基材１３は、四つの筒状組紐１２が互いのコーナ部１２ａを隣接させて一体化して形成されている。四つの筒状組紐１２における互いに重なり合う一方の面１２ｂでリブ１３ｂが形成されるとともに、他方の面１２ｃでリブ１３ｂが架設されたスキン１３ａが形成されている。そして、隣接するコーナ部１２ａの両方が、太型軸方向糸条２３ａで形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のコーナ部を有する筒状に形成されるとともにコーナ部に軸方向糸条が配列されてなる筒状組紐を複数備えるスキン・リブ構造体に関する。

この種のスキン・リブ構造体としては、例えば非特許文献１が挙げられる。図８に示すように、この非特許文献１のスキン・リブ構造体８０は、複数の筒状組紐８１を一体化してなる。具体的には、スキン・リブ構造体８０は、複数の筒状組紐８１が互いのコーナ部を隣接させて一体化して筒状に形成され、複数の筒状組紐８１同士で互いに重なり合わせた一部でリブ８２が形成されるとともに、他部でリブ８２が架設されるスキン８３が形成されてなる。そして、非特許文献１のスキン・リブ構造体８０は、そのスキン８３の表面全体が繊維基材８７で覆われるとともに、樹脂のマトリックス中に複合されて繊維強化複合材料を形成している。

ダグラス・Ｌ・アームストロング（Douglas L.Armstrong）、外６名，「Bellヘリコプタ社のMAPLに装備される低コスト積層構造RTM水平安定板の開発（Development of a Low-Cost Integrated RTM Horizontal Stabilizer that Flies on Bell Helicopter's MAPL）」，「SAMPEジャーナル（SAMPE JARNAL）」，（米国），Society for the Advancement of Material and Process Engineering，２００６年５月，第４２巻，第３号，ｐ．５４−６２

ところが、非特許文献１のスキン・リブ構造体８０においては、隣り合う筒状組紐８１の間には、隣接するコーナ部同士の間に隙間８４が形成されており、この隙間８４を埋めるために隙間８４にはフィラー８５が挿入されている。よって、非特許文献１のスキン・リブ構造体８０は、フィラー８５を要する分だけ製造コストが嵩み、さらには、フィラー８５の製造工程、及び隙間８４へのフィラー８５の挿入工程が必要になり、製造コストが嵩んでしまう。

本発明は、フィラーを用いることなく筒状組紐のコーナ部間の隙間を埋めることができ、製造コストを低減することができるスキン・リブ構造体を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、互いに平行に配列された複数の第１の斜行糸条と、互いに平行にかつ前記第１の斜行糸条と交差する方向に配列された複数の第２の斜行糸条と、前記第１の斜行糸条及び前記第２の斜行糸条と交差する角度が等しくなるように互いに平行に配列された複数の軸方向糸条と、で構成され、複数のコーナ部を有する筒状に形成されるとともに前記コーナ部に前記軸方向糸条が配列されてなる筒状組紐を複数備え、前記複数の筒状組紐は、互いに一方の面が重なり合いかつ前記一方の面を挟む前記コーナ部を隣接させて一体に形成され、前記一方の面でリブが形成されるとともに、他方の面で前記リブが架設されるスキンが形成されてなるスキン・リブ構造体であって、前記隣接するコーナ部のうちの少なくとも一方の前記軸方向糸条が太く形成された太型軸方向糸条で形成されている。

なお、コーナ部とは、筒状組紐の軸に垂直な方向の断面において隅を形成する箇所を指し、隅の形状は角状、円弧状を問わない、また、スキン・リブ構造体とは、平面であるスキンと、スキンに対して略垂直に延びる１以上のリブを有する構造を指す。

これによれば、コーナ部に配列された軸方向糸条を太型軸方向糸条とすることで、コーナ部が膨らむように形成される。このため、隣接するコーナ部同士は、互いに押し潰されるように当接し合う状態になり、その押し潰しによって変形した部位が、隣接するコーナ部同士の間の隙間を埋める。よって、隣接するコーナ部同士の間には隙間がほとんど形成されず、隙間を埋めるためのフィラーが不要になる。

また、前記隣接するコーナ部の両方の前記軸方向糸条が、前記太型軸方向糸条で形成されていてもよい。
これによれば、隣接するコーナ部同士が互いに押し潰されて当接した状態では、その押し潰しによって変形した部位、すなわち、コーナ部同士の間の隙間を埋める部位が多くなり、コーナ部同士の間の隙間を埋めることができる。

また、前記太型軸方向糸条は、前記軸方向糸条を複数本束ねて形成されていてもよい。
これによれば、軸方向糸条の太さを容易に調節することができ、太型軸方向糸条の形状を容易に調節することができる。

また、前記スキンの表面全体を強化繊維織物で覆ってなる中間基材であってもよいし、マトリックス樹脂中に前記中間基材として用いられて繊維強化複合材料を形成してもよい。これによれば、中間基材において、隙間を埋めるためのフィラーが不要になるため、強化繊維織物で覆ってなる中間基材、及び繊維強化複合材料いずれにおいても軽量化を図ることができる。

また、前記隣接するコーナ部のいずれか一方の前記軸方向糸条が、前記太型軸方向糸条で形成されていてもよい。
これによれば、太型軸方向糸条が配列されたコーナ部と、太型軸方向糸条が配列されてないコーナ部とで互いに組み合わされて、隙間をほとんど無くすことができる。

本発明によれば、フィラーを用いることなく筒状組紐のコーナ部間の隙間を埋めることができ、製造コストを低減することができる。

実施形態の繊維強化複合材料を示す斜視図。 筒状組紐を示す概略平面図。 筒状組紐を示す概略斜視図。 （ａ）はマンドレルに筒状組紐を織成した状態を示す斜視図、（ｂ）はコーナ部近傍を拡大して示す断面図。 繊維強化複合材料の別例を示す図。 コーナ部及びマンドレルの別例を示す拡大断面図。 コーナ部の別例を示す拡大断面図。 背景技術を示す側面図。

以下、本発明のスキン・リブ構造体を、繊維強化複合材料の中間基材に具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１に示すように、繊維強化複合材料１１は全体として四角筒状に形成されている。この繊維強化複合材料１１は、四角筒状に形成された複数（本実施形態では３つ）の筒状組紐１２を一体化してなる中間基材１３と、この中間基材１３の表面全体を覆う強化繊維織物１４と、を備えるとともに、中間基材１３及び強化繊維織物１４にマトリックス樹脂を含浸硬化させてなるものである。

まず、筒状組紐１２について説明する。図２及び図３に示すように、筒状組紐１２は、互いに平行に配列された複数の第１の斜行糸条２１と、互いに平行にかつ第１の斜行糸条２１と交差する方向に配列された複数の第２の斜行糸条２２と、第１及び第２の斜行糸条２１，２２と交差する角度が等しくなるように互いに平行に配列された複数の軸方向糸条２３とで構成されている。なお、本実施形態では、第１の斜行糸条２１、第２の斜行糸条２２、及び軸方向糸条２３はそれぞれ炭素繊維で形成されている。また、第１の斜行糸条２１、第２の斜行糸条２２、及び軸方向糸条２３は、炭素繊維の繊維束であってもよいし、撚り糸であってもよい。

この筒状組紐１２は、ブレーダーを用いて製造される。具体的には、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、筒状組紐１２の内側の形状に等しいマンドレルＭ（本実施形態では四角柱状）を使用して製造される。そして、軸方向糸条２３がマンドレルＭの軸方向に延びる状態で、第１の斜行糸条２１及び第２の斜行糸条２２を軸方向糸条２３と所定の角度で交差しつつマンドレルＭに巻きつけるようにして、組紐組織を形成することにより筒状組紐１２が形成される。なお、マンドレルＭの各隅部Ｍａは、それぞれ面取りが施されており、各隅部Ｍａが鋭角状に形成される場合と比べると、各隅部Ｍａ上に配列された第２の斜行糸条２２及び軸方向糸条２３をマンドレルＭの内側寄りに配列させることができる。

図３に示すように、筒状組紐１２において、その中心軸Ｌに垂直な方向の断面における隅を形成する箇所を筒状組紐１２のコーナ部１２ａとし、このコーナ部１２ａの形状は本実施形態では、円弧状になっている。筒状組紐１２において、複数の軸方向糸条２３のうち、筒状組紐１２のコーナ部１２ａに配列された軸方向糸条２３は、その他の場所に配列された軸方向糸条２３に比べて太い太型軸方向糸条２３ａとなっている。具体的には、図４（ｂ）に示すように、コーナ部１２ａに配列された太型軸方向糸条２３ａは、その太型軸方向糸条２３ａを形成する繊維一本一本を太くして、その他の場所の軸方向糸条２３より太くなっている。このため、筒状組紐１２の各コーナ部１２ａは、筒状組紐１２の外面よりも若干外方に向けて膨らんでいる。

図１に示すように、上記筒状組紐１２を複数一体化して中間基材１３が形成されている。中間基材１３は、複数の筒状組紐１２の四つの面のうちの一方の面１２ｂ同士が互いに重なり合うとともに、その重なり合う一方の面１２ｂを挟むコーナ部１２ａ同士が当接（隣接）するように一体化されている。この中間基材１３は外郭が四角筒状に形成されている。そして、中空状をなす中間基材１３の外郭であり、複数の筒状組紐１２における他方の面１２ｃ（筒状組紐１２同士で重なり合わない面）により、中間基材１３のスキン１３ａが形成されている。また、中間基材１３のスキン１３ａの対向する内面間に架設された部位であり、複数の筒状組紐１２における互いに重なり合う一方の面１２ｂにより、中間基材１３のリブ１３ｂが形成されており、このスキン１３ａ及びリブ１３ｂを有する中間基材１３によってスキン・リブ構造体が形成されている。なお、スキン・リブ構造体とは、中間基材１３における他方の面１２ｃよりなる平面であるスキン１３ａと、スキン１３ａに対して垂直（略垂直も含む）に延びる複数のリブ１３ｂを有する構造のことである。

図１の拡大図に示すように、隣接する筒状組紐１２同士の間では、隣接するコーナ部１２ａそれぞれが対向するコーナ部１２ａに向けて膨らんだ状態で当接している。このため、隣接するコーナ部１２ａ同士は、互いに押し潰されるように変形し、隙間がほとんど形成されていない。

上記中間基材１３のスキン１３ａの表面には強化繊維織物１４が一体化されるとともに、強化繊維織物１４によってスキン１３ａの表面全体が覆われている。そして、強化繊維織物１４により、中間基材１３のスキン１３ａに加えたスキンが形成されている。なお、強化繊維織物１４は平織物や綾織物であってもよいし、筒状組紐を軸方向に切断した後、押しつぶして扁平にすることにより形成されたものであってもよい。

そして、繊維強化複合材料１１は、中間基材１３を強化繊維織物１４で覆い、成形型内に配置した状態で、マトリックスとなる樹脂の含浸硬化を行なうことにより製造される。マトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂等の熱硬化性樹脂が使用される。樹脂の含浸硬化は、例えば、ＲＴＭ（レジン・トランスファー・モールディング）法で行なわれる。繊維強化複合材料１１においては、中空状のスキン１３ａ内に複数のリブ１３ｂが形成されることにより、リブ１３ｂの立設方向に沿った圧縮強度が高められている。

次に、中間基材１３、及び繊維強化複合材料１１の作用について説明する。
中間基材１３は、複数の筒状組紐１２を一体化して形成されており、隣接するコーナ部１２ａそれぞれには太型軸方向糸条２３ａが配列されている。そして、この太型軸方向糸条２３ａにより、各コーナ部１２ａは相手側のコーナ部１２ａに向けて膨らんでいるため、コーナ部１２ａ同士は互いに押し潰された状態で当接している。このため、隣接するコーナ部１２ａ同士の間、及び隣接するコーナ部１２ａと、強化繊維織物１４との間には、隙間がほとんど形成されていない。よって、繊維強化複合材料１１において、隣接するコーナ部１２ａと、強化繊維織物１４との間に、樹脂ばかりで成形された部位（樹脂リッチ）が形成されることが防止される。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）スキン・リブ構造体である中間基材１３を、複数の筒状組紐１２を一体化して形成し、各筒状組紐１２の各コーナ部１２ａに配列される軸方向糸条２３をその他の軸方向糸条２３より太い太型軸方向糸条２３ａとして各コーナ部１２ａを膨らませた。このため、隣接するコーナ部１２ａ同士が互いに当接し合う状態になり、隣接するコーナ部１２ａ同士の間には隙間がほとんど形成されず、隙間を埋めるためのフィラーが不要になる。したがって、隙間を埋めるためにフィラーを必要とする場合と異なり、フィラーの製造工程、及び隙間へのフィラーの挿入工程も不要になり、中間基材１３の製造コストを低減することができる。

（２）筒状組紐１２を製造する際、コーナ部１２ａに配列される軸方向糸条２３を、コーナ部１２ａ以外の場所に配列される軸方向糸条２３より太い太型軸方向糸条２３ａとすることで、各コーナ部１２ａを膨らませた。そして、コーナ部１２ａを膨らませ、隣接するコーナ部１２ａ同士を当接させることで、コーナ部１２ａ同士の間の隙間をほとんど無くし、コーナ部１２ａ同士の間にフィラーを挿入する手間を省くことができる。したがって、コーナ部１２ａ同士の間にフィラーを挿入する場合と比べると、中間基材１３を簡単に製造することが可能になる。

（３）筒状組紐１２を形成する材料である軸方向糸条２３を太型軸方向糸条２３ａとするだけでコーナ部１２ａを膨らませ、隣接するコーナ部１２ａ同士の間の隙間をほとんど無くすことができる。すなわち、筒状組紐１２を製造するのと同時に、隙間を無くすための構成をコーナ部１２ａに形成することができる。したがって、フィラーを筒状組紐１２とは別に製造する場合と比べると、中間基材１３の製造コストを低減することができる。

（４）筒状組紐１２は四角筒状に形成されるとともに、筒状組紐１２の四つのコーナ部１２ａ全てに配列された軸方向糸条２３を太型軸方向糸条２３ａとして、四つのコーナ部１２ａを膨らませた。このため、筒状組紐１２のいずれのコーナ部１２ａが、別の筒状組紐１２のコーナ部１２ａと向き合っても、隣接するコーナ部１２ａが互いに膨らんでいることとなり、隣接するコーナ部１２ａ間の隙間をほとんど無くすことができる。

（５）筒状組紐１２は、第１の斜行糸条２１と、第２の斜行糸条２２と、軸方向糸条２３とから構成されている。そして、この筒状組紐１２のコーナ部１２ａに配列された軸方向糸条２３を太型軸方向糸条２３ａとしてコーナ部１２ａを膨らませた。太型軸方向糸条２３ａは、筒状組紐１２の軸方向に延びるため、コーナ部１２ａを軸方向全体に亘って膨らませることができる。

（６）筒状組紐１２は、ブレーダーのマンドレルＭに第１の斜行糸条２１と、第２の斜行糸条２２と、軸方向糸条２３及び太型軸方向糸条２３ａとを織成して形成されている。マンドレルＭの隅部Ｍａは面取りが施されているため、面取りが施されない場合と比較してマンドレルＭの隅部Ｍａの突出量は小さくなっている。したがって、筒状組紐１２におけるコーナ部１２ａの膨らみ量を、マンドレルＭの隅部Ｍａが面取りされない場合と比べて抑えることができる。その結果として、筒状組紐１２のコーナ部１２ａ同士をほぼ面接触に近い形で当接させることができ、隙間をほとんど無くすことができる。

（７）中間基材１３のスキン１３ａ全体が強化繊維織物１４で覆われている。このため、複数の筒状組紐１２を強化繊維織物１４によって一体化することができる。よって、繊維強化複合材料１１を製造する際、強化繊維織物１４によって中間基材１３が分離することを防止することができる。

（８）繊維強化複合材料１１においては、隣接する筒状組紐１２のコーナ部１２ａ同士の間には隙間がほとんど形成されないため、それらコーナ部１２ａと、強化繊維織物１４との間にも隙間がほとんど形成されない。よって、繊維強化複合材料１１において、樹脂リッチな部位が形成されることが防止される。したがって、繊維強化複合材料１１においては、樹脂のみの強度の低い部位が形成されることがない。

（９）隣接する筒状組紐１２同士の間では、隣接するコーナ部１２ａが両方とも相手側のコーナ部１２ａに向けて膨らんでいる。このため、コーナ部１２ａ同士が押し潰されて当接した状態では、その押し潰しによって変形した部位、すなわち、コーナ部１２ａ同士の間の隙間を埋める部位が多くなり、コーナ部１２ａ同士の間の隙間を確実に埋めることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 図５に示すように、筒状組紐１２を複数段積み重ねて中間基材２４を形成するとともに、この中間基材２４を用いて繊維強化複合材料２５を形成してもよい。このように構成すると、筒状組紐１２は上下方向及び左右方向に重なり合い、上下左右方向にコーナ部１２ａが隣接する。この場合でも、各筒状組紐１２の各コーナ部１２ａが太型軸方向糸条２３ａを配列して形成されているため、上下左右に隣接するコーナ部１２ａ同士が互いに当接し合う状態になり、隣接するコーナ部１２ａ同士の間には隙間がほとんど形成されず、隙間を埋めるためのフィラーが不要になる。したがって、隙間を埋めるためにフィラーを必要とする場合と異なり、フィラーの製造工程、及び隙間へのフィラーの挿入工程も不要になり、中間基材１３の製造コストを低減することができる。

○ 実施形態では、マンドレルＭとして隅部Ｍａに面取りを施したものを使用したが、図６に示すように、隅部Ｍａの面取りを施しておらず、隅部Ｍａが角状となったものを使用してもよい。このように構成すると、コーナ部１２ａの膨らむ量は、実施形態のようにマンドレルＭの隅部Ｍａを面取りした場合と比べて多くなる。よって、マンドレルＭの隅部Ｍａの形状を適宜設定する（面取りを施したり、面取りを施さない）ことで、コーナ部１２ａの膨らむ量を調節することもできる。

○ 実施形態では、筒状組紐１２のコーナ部１２ａに配列された軸方向糸条２３を太型軸方向糸条２３ａとしてコーナ部１２ａを膨らませたが、図７に示すように、軸方向糸条２３を複数本束ねて太型軸方向糸条２３ａとしてコーナ部１２ａを膨らませてもよい。このように構成すると、軸方向糸条２３を束ねる量を調節することで、コーナ部１２ａの膨らむ量を調節することができる。

○ 実施形態では、隣接するコーナ部１２ａの両方に太型軸方向糸条２３ａを配列して膨らませたが、いずれか一方のみに太型軸方向糸条２３ａを配列してコーナ部１２ａを膨らませてもよい。このように構成した場合、隣接する一対のコーナ部１２ａのうち一方が他方に向けて膨らみ、他方が面取りされた形状になる。このため、膨らんだコーナ部１２ａと、面取りされたコーナ部１２ａとで互いに組み合わされて、隙間をほとんど無くすことができる。

○ 実施形態では、中間基材１３を強化繊維織物１４で覆ったものに樹脂を含浸させて繊維強化複合材料１１を形成したが、中間基材１３のみを用いて繊維強化複合材料１１を形成してもよい。

○ 実施形態では、第１の斜行糸条２１、第２の斜行糸条２２、軸方向糸条２３、及び太型軸方向糸条２３ａに炭素繊維を用いたが、これに限らない。例えば、第１及び第２の斜行糸条２１，２２、軸方向糸条２３，２３ａの少なくとも１つは、ガラス繊維やセラミック繊維等の無機繊維、あるいは、アラミド繊維、ポリ−ｐ−フェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、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等を使用してもよく、要求性能に応じて適宜選択してもよい。

○ 繊維強化複合材料１１の製造は、中間基材１３及び強化繊維織物１４を成形型内に配置した状態で、マトリックスとなる樹脂の含浸硬化を行なう方法に限らない。例えば、中間基材１３及び強化繊維織物１４に予め樹脂を含浸させたプリプレグを使用して、プリプレグを成形型で加圧加熱して繊維強化複合材料１１を製造してもよい。

○ 繊維強化複合材料１１を構成するマトリックス樹脂は熱硬化性樹脂に限らず、例えば、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリオキシメチレン、ポリフェニレンエーテル等の熱可塑性樹脂を使用してもよい。

１１，２５…繊維強化複合材料、１２…筒状組紐、１２ａ…コーナ部、１２ｂ…一方の面、１２ｃ…他方の面、１３，２４…スキン・リブ構造体としての中間基材、１３ａ…スキン、１３ｂ…リブ、１４…強化繊維織物、２１…第１の斜行糸条、２２…第２の斜行糸条、２３…軸方向糸条、２３ａ…太型軸方向糸条。

Claims (6)

1. 互いに平行に配列された複数の第１の斜行糸条と、
   互いに平行にかつ前記第１の斜行糸条と交差する方向に配列された複数の第２の斜行糸条と、
   前記第１の斜行糸条及び前記第２の斜行糸条と交差する角度が等しくなるように互いに平行に配列された複数の軸方向糸条と、で構成され、
   複数のコーナ部を有する筒状に形成されるとともに前記コーナ部に前記軸方向糸条が配列されてなる筒状組紐を複数備え、
   前記複数の筒状組紐は、互いに一方の面が重なり合いかつ前記一方の面を挟む前記コーナ部を隣接させて一体に形成され、前記一方の面でリブが形成されるとともに、他方の面で前記リブが架設されるスキンが形成されてなるスキン・リブ構造体であって、
   前記隣接するコーナ部のうちの少なくとも一方の前記軸方向糸条が太く形成された太型軸方向糸条で形成されたことを特徴とするスキン・リブ構造体。
2. 前記隣接するコーナ部の両方の前記軸方向糸条が、前記太型軸方向糸条で形成されている請求項１に記載のスキン・リブ構造体。
3. 前記太型軸方向糸条は、前記軸方向糸条を複数本束ねて形成されている請求項１又は請求項２に記載のスキン・リブ構造体。
4. 前記スキンの表面全体を強化繊維織物で覆ってなる中間基材である請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載のスキン・リブ構造体。
5. マトリックス樹脂中に前記中間基材として用いられて繊維強化複合材料を形成する請求項４に記載のスキン・リブ構造体。
6. 前記隣接するコーナ部のいずれか一方の前記軸方向糸条が、前記太型軸方向糸条で形成されている請求項１に記載のスキン・リブ構造体。

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