JP4677950B2 - 三次元繊維構造体及び複合材並びに三次元繊維構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、曲げ部を有する三次元繊維構造体及び複合材並びに三次元繊維構造体の製造方法に関する。

繊維強化複合材（以下、単に複合材と言う。）は軽量の構造材として広く使用されている。複合材用の強化基材として三次元織物等の三次元繊維構造体がある。三次元繊維構造体を複合材の強化材として広い用途に使用可能とするためには、単純な平板状ではなく曲げ部を有する三次元繊維構造体が必要となる。

この種の三次元繊維構造体として、多数の経糸を三次元織物の断面形状に対応した複数行、複数列に張設して経糸群を形成し、該経糸群の行間及び列間に経糸と直交する状態で第２緯糸及び第１緯糸をそれぞれ挿入する工程を繰り返して三次元織物を織成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この方法では、三次元織物の屈曲部（曲げ部）を織成する際に、屈曲状態に対応して第１緯糸を部分的に屈曲部の最内層となる行の経糸に達する手前で折り返すとともに第２緯糸の挿入行数をそれに対応して減少する織成工程を入れ、製織の進行に伴い織り上がった部分の三次元織物を順次屈曲させる。

また、三次元繊維構造体の製造方法として枠体を使用する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。この方法では、複数の板状部が接続部において屈曲状態で連続する形状の三次元繊維構造体の形状に対応した形状に形成されるとともに規制部材が所定ピッチで配置された枠体上に、規制部材間に糸（連続繊維）を折り返し状に配列した糸層を積層して積層糸群を形成した後、積層糸群を枠体に保持した状態で厚さ方向糸を挿入する。
特開平２−１９１７４２号公報 特開平９−１３７３３６号公報

ところが、特許文献１の製造方法では製造装置として三次元織機が必要となり、装置が複雑で大型になる。また、特許文献２の製造方法では特許文献１の方法に比較して装置は簡単になるが、屈曲状態で枠体上に配列された積層糸群に厚さ方向糸を挿入する作業工数が大きくなり、装置も複雑になる。また、特許文献２の製造方法のように、規制部材が設けられた枠体を使用して、規制部材と係合する状態で連続繊維を配列する方法では、異なる方向に曲がった屈曲部を有する三次元繊維構造体を製造することはできない。

そこで、連続繊維からなる繊維層が積層されて形成された積層繊維層が、厚さ方向糸で結合された三次元繊維構造体を形成した後、その三次元繊維構造体を曲げて、最終的に曲げ部を有する三次元繊維構造体を形成する場合がある。

例えば、図９に示すように、断面略ハット状の三次元繊維構造体６１を製造する際、連続繊維からなる繊維層が積層されて形成された少なくとも２軸配向となる積層繊維層６２を厚さ方向糸６３で結合した平板状の三次元繊維構造体を折り曲げて形成することが考えられる。しかし、三次元繊維構造体に使用される連続繊維は一般に伸びが非常に小さいため、曲げ部における外側に配列された連続繊維が伸びることができず、結果として内側に皺６４や歪みが発生した三次元繊維構造体６１となる。この皺６４や歪みは三次元繊維構造体６１を強化材として樹脂をマトリックスとした複合材（ＦＲＰ）を形成した場合、物性低下（例えば、強度低下）の原因となるとともに、外観品質を低下させる。

本発明は、前記従来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、連続繊維からなる繊維層が積層されて少なくとも２軸配向となるように形成され、かつ厚さ方向糸で結合された積層繊維層から、曲げ加工で、曲げ部における皺や歪みの発生が抑制された状態で製造が可能な新規な構成の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強化材とする複合材を提供することにある。また、第３の目的は、前記三次元繊維構造体の製造方法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に記載の発明は、連続繊維からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層が、曲げ部と平面部とが連続する立体的な板状に形成されるとともに、前記積層繊維層の各繊維層と交差する状態で厚さ方向糸が配列された三次元繊維構造体である。そして、前記曲げ部を挟んで隣り合う一方の平面部に配列される前記厚さ方向糸と、他方の平面部に配列される前記厚さ方向糸とは前記繊維層に対して交差する角度が異なる方向に配列されている。

ここで、「立体的な板状」とは、全体として平面状ではなく平板が屈曲されて立体形状となっていることを意味する。また、「連続繊維」とは、単繊維（モノフィラメント）に限らず、単繊維が複数本束ねられた繊維束を含む。また、「糸」とは、撚りが掛かった糸のみを意味するのではなく、多数本の繊維が束となって撚りが実質掛かっていない繊維束（所謂ロービング）をも含む。

この発明では、三次元繊維構造体を構成する積層繊維層を結合する厚さ方向糸は、全ての領域で積層繊維層の厚さ方向と平行に配列されているのではなく、曲げ部を挟んで隣り合う一方の平面部に配列される厚さ方向糸と、他方の平面部に配列される厚さ方向糸とは前記繊維層に対して交差する角度が異なる方向に配列されている。そのため、三次元繊維構造体を製造する際に、連続繊維からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層に曲げ加工を施すことで製造することが可能になる。なぜならば、厚さ方向糸で結合された積層繊維層に曲げ加工を施す際に、積層繊維層を板圧方向に圧縮しながら曲げると、曲げ部の外側に配列されている連続繊維の非曲げ部の部分がずれようとする。そのとき、非曲げ部に配列されている厚さ方向糸がずれを許容するように連続繊維と共に移動することにより、曲げ部における皺や歪みの発生が抑制された状態で製造が可能になる。

請求項２に記載の発明は、織物組織からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層が、曲げ部と平面部とが連続する立体的な板状に形成されるとともに、前記積層繊維層の各繊維層と交差する状態で厚さ方向糸が配列された三次元繊維構造体である。そして、前記曲げ部を挟んで隣り合う一方の平面部に配列される前記厚さ方向糸と、他方の平面部に配列される前記厚さ方向糸とは前記繊維層に対して交差する角度が異なる方向に配列されている。この発明の三次元繊維構造体は、連続繊維を配列した繊維層を積層して積層繊維層を構成するより、短時間で三次元繊維構造体を製造することが可能になる。

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、前記一方の平面部には前記厚さ方向糸が前記繊維層と斜めに交差する状態で配列され、前記他方の平面部には前記厚さ方向糸が前記繊維層と直交する方向に配列されている。この発明の三次元繊維構造体は、三次元繊維構造体を製造する際に、連続繊維からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層を厚さ方向糸で結合した一次構造体に曲げ加工を施すことで製造することが可能になる。

請求項４に記載の発明は、連続繊維からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層が、曲げ部と平面部とが連続する立体的な板状に形成されるとともに、前記積層繊維層の各繊維層と交差する状態で厚さ方向糸が配列された三次元繊維構造体である。そして、２個の曲げ部が平面部を挟むように設けられている部分を備えており、前記平面部に配列される前記厚さ方向糸は前記繊維層と斜めに交差する状態で配列されている。この発明の三次元繊維構造体も、三次元繊維構造体を製造する際に、連続繊維からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層を厚さ方向糸で結合した一次構造体に曲げ加工を施すことで製造することが可能になる。

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、前記積層繊維層は、前記曲げ部の曲率中心線と直交する仮想平面による断面形状が、厚さ方向の一方の側における外形線の長さと、他方の側における外形線の長さとが等しい形状に形成されている。この発明の三次元繊維構造体は、三次元繊維構造体を製造する際に、厚さ方向糸で結合された積層繊維層に曲げ加工を施す際、連続繊維のずれが円滑に起こり、曲げ部における皺や歪みの発生が抑制された状態で製造が可能になる。

請求項６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、前記積層繊維層は、前記曲げ部及び前記平面部に跨るように前記連続繊維が配列される仮想平面による断面形状が、厚さ方向の一方の側における外形線の長さと、他方の側における外形線の長さとが等しい形状に形成されている。この発明の三次元繊維構造体は、三次元繊維構造体を製造する際に、厚さ方向糸で結合された積層繊維層に曲げ加工を施す際、連続繊維のずれが円滑に起こり、曲げ部における皺や歪みの発生が抑制された状態で製造が可能になる。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の発明において、前記積層繊維層は、前記曲げ部として曲げ方向の異なる曲げ部を平面部が間に存在する隣り合う状態で備えており、前記曲げ方向の異なる曲げ部に挟まれた平面部に前記厚さ方向糸が前記繊維層と斜めに交差する状態で配列されている。ここで、「曲げ方向の異なる曲げ部」とは、曲げ部の曲率中心線は互いに平行で、一方の曲げ部が外側に凸であれば他方の曲げ部が内側に凸となるように湾曲している状態であることを意味する。

この発明では、平面部を挟んで隣り合う曲げ部の曲げ方向が異なるため、一方の曲げ部において外側となる繊維層は、他方の曲げ部では内側となり、積層繊維層を曲げて三次元繊維構造体を形成する際に、曲げ部において連続繊維に皺や歪みが発生しない状態で曲げ易くなる。

請求項８に記載の発明は、請求項５〜請求項７のいずれか一項に記載の発明において、前記仮想平面と対向する方向から見た場合、前記平面部において前記繊維層と斜めに交差する状態で配列されている前記厚さ方向糸の長さをＬ、曲げ部の角度をθ（ラジアン）、前記曲げ部における前記積層繊維層の厚さをｔとした場合、ｔ／Ｌ≦cos( tan^−１θ) の関係を有する。ここで、「厚さ方向糸の長さ」とは、厚さ方向糸の三次元繊維構造体に挿入されている部分の長さを意味する。また、「曲げ部の角度」とは、曲げ部の曲率中心と、曲げ部の両端とを結ぶ直線の成す角度を意味する。

この発明では、厚さ方向糸の長さが前記関係を満たすように三次元繊維構造体を製造することにより、三次元繊維構造体の厚さに関係なく、曲げ部において連続繊維に皺や歪みが発生しない状態で曲げ易くなる。

請求項９に記載の発明は、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の発明において、前記連続繊維及び厚さ方向糸の少なくとも一方は、伸び率が２．４％以下である。１０％以上伸びる繊維（ナイロン、アクリル）と比較して、炭素繊維の破断伸び率は、一般に０．５％〜２．４％と小さく、弛みのない連続繊維を伸ばして曲げを行うことは難しい。しかし、この発明では連続繊維に炭素繊維を使用しても無理なく曲げ部を形成することができる。

第２の目的を達成するため請求項１０に記載の発明の複合材は、請求項１〜請求項９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、樹脂をマトリックスとしている。この発明では、曲げ部の内側に皺や歪みのない三次元繊維構造体を強化材とした複合材を容易に製造することができる。

第３の目的を達成するため請求項１１に記載の発明は、連続繊維からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層が、曲げ部と平面部とが連続し、かつ曲げ方向の異なる曲げ部が平面部を間にして隣り合う状態で隣接して存在する立体的な板状に形成されるとともに、前記積層繊維層の各繊維層と交差する状態で厚さ方向糸が配列された三次元繊維構造体の製造方法である。そして、規制部材が所定ピッチで配置された治具上に、前記規制部材と係合して折り返すように連続繊維を前記規制部材間に配列して形成した繊維層を複数積層して少なくとも２軸配向となる積層繊維層を形成する連続繊維配列工程を備えている。また、前記積層繊維層に厚さ方向糸を前記積層繊維層と直交するように挿入して平板状の一次構造体を形成する厚さ方向糸挿入工程と、前記厚さ方向糸が挿入された平板状の一次構造体の所定位置に曲げ部を形成する曲げ工程とを備えている。そして、前記厚さ方向糸挿入工程において、少なくとも前記曲げ工程後に曲げ方向の異なる曲げ部に挟まれた平面部となる部分には、厚さ方向糸を前記曲げ工程後の平面部の積層繊維層の厚さより長く挿入する。

この発明では、連続繊維配列工程において、規制部材が所定ピッチで配置された治具上に、規制部材と係合して折り返すように連続繊維が規制部材間に配列されて形成された繊維層が複数積層されて、少なくとも２軸配向となる積層繊維層が形成される。その後、厚さ方向糸挿入工程で積層繊維層に厚さ方向糸が、積層繊維層と直交するように挿入されて平板状の一次構造体が形成された後、曲げ工程において、平板状の一次構造体の所定位置が曲げられて曲げ部を備えた三次元繊維構造体が形成される。厚さ方向糸挿入工程においては、少なくとも前記曲げ工程後も平面部となる部分には厚さ方向糸が前記曲げ工程後の平面部の積層繊維層の厚さより長く挿入される。その結果、曲げ工程において、曲げ部の外側になる連続繊維に繋がる繊維がずれようとする際に、厚さ方向糸もずれを許容するように移動され、曲げ部の内側になる連続繊維に皺や歪みが発生するのが抑制された状態で曲げ加工が行われる。その結果、三次元繊維構造体を曲げ部における皺や歪みの発生が抑制された状態で簡単に製造することができる。

請求項１２に記載の発明は、連続繊維からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層が、曲げ部と平面部とが連続する立体的な板状に形成されるとともに、前記積層繊維層の各繊維層と交差する状態で厚さ方向糸が配列された三次元繊維構造体の製造方法である。そして、規制部材が所定ピッチで配置された治具上に、前記規制部材と係合して折り返すように連続繊維を前記規制部材間に配列して形成した繊維層を積層して少なくとも２軸配向となる積層繊維層を形成する連続繊維配列工程を備えている。また、前記積層繊維層に厚さ方向糸を前記積層繊維層と直交するように挿入して平板状の一次構造体を形成する厚さ方向糸挿入工程と、前記厚さ方向糸が挿入された平板状の一次構造体の所定位置に曲げ部を形成する曲げ工程とを備えている。前記厚さ方向糸挿入工程において、前記曲げ工程後に曲げ部を挟んで隣り合う少なくとも一方の平面部となる部分には、厚さ方向糸を前記曲げ工程後の平面部の積層繊維層の厚さより長く挿入する。

この発明でも、曲げ工程において、曲げ部の外側になる連続繊維に繋がる繊維がずれようとする際に、厚さ方向糸もずれを許容するように移動され、曲げ部の内側になる連続繊維に皺や歪みが発生するのが抑制された状態で曲げ加工が行われる。その結果、三次元繊維構造体を曲げ部における皺や歪みの発生が抑制された状態で簡単に製造することができる。

請求項１３に記載の発明は、織物組織からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層が、曲げ部と平面部とが連続し、かつ曲げ方向の異なる曲げ部が平面部を間にして隣り合う状態で隣接して存在する立体的な板状に形成されるとともに、前記積層繊維層の各繊維層と交差する状態で厚さ方向糸が配列された三次元繊維構造体の製造方法である。そして、織物を積層して積層繊維層を形成する織物積層工程と、前記積層繊維層に厚さ方向糸を前記積層繊維層と直交するように挿入して平板状の一次構造体を形成する厚さ方向糸挿入工程と、前記厚さ方向糸が挿入された平板状の一次構造体の所定位置に曲げ部を形成する曲げ工程とを備えている。前記厚さ方向糸挿入工程において、少なくとも前記曲げ工程後に曲げ方向の異なる曲げ部に挟まれた平面部となる部分には、厚さ方向糸を前記曲げ工程後の平面部の積層繊維層の厚さより長く挿入する。従って、この発明では、連続繊維を配列した繊維層を積層して積層繊維層を構成するより、積層繊維層の形成を短時間で行うことができる。

請求項１４に記載の発明は、織物組織からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層が、曲げ部と平面部とが連続する立体的な板状に形成されるとともに、前記積層繊維層の各繊維層と交差する状態で厚さ方向糸が配列された三次元繊維構造体の製造方法である。そして、織物を積層して積層繊維層を形成する織物積層工程と、前記積層繊維層に厚さ方向糸を前記積層繊維層と直交するように挿入して平板状の一次構造体を形成する厚さ方向糸挿入工程と、前記厚さ方向糸が挿入された平板状の一次構造体の所定位置に曲げ部を形成する曲げ工程とを備えている。前記厚さ方向糸挿入工程において、前記曲げ工程後に曲げ部を挟んで隣り合う少なくとも一方の平面部となる部分には、厚さ方向糸を前記曲げ工程後の平面部の積層繊維層の厚さより長く挿入する。従って、この発明では、連続繊維を配列した繊維層を積層して積層繊維層を構成するより、積層繊維層の形成を短時間で行うことができる。

請求項１５に記載の発明は、請求項１１又は請求項１３に記載の発明において、前記曲げ工程における曲げ加工完了後の三次元繊維構造体の曲げ部の角度をθ（ラジアン）、前記曲げ部における前記積層繊維層の厚さをｔ、前記曲げ方向の異なる曲げ部の間の平面部に配列されている前記厚さ方向糸の長さをＬとした場合、ｔ／Ｌ≦cos( tan^−１θ) の関係を満たす長さとなるように、前記厚さ方向糸挿入工程において、少なくとも前記曲げ工程後に曲げ方向の異なる曲げ部の間となる平面部に挿入される厚さ方向糸の長さが設定される。この発明では、曲げ部の内側になる連続繊維に皺や歪みが発生するのが抑制された状態で、曲げ加工を容易に行うことができる。

請求項１６に記載の発明は、請求項１５に記載の発明において、前記厚さ方向糸挿入工程において、前記曲げ工程後に曲げ方向の異なる曲げ部の間となる平面部に挿入される厚さ方向糸は、その長さが前記ｔ／Ｌ＝cos( tan^−１θ) の関係を満たす長さで挿入される。また、他の平面部に挿入される厚さ方向糸は、前記曲げ工程後の当該平面部における前記積層繊維層の厚さと同じ長さで挿入される。

厚さ方向糸挿入工程において積層繊維層の全ての部分に同じ長さで厚さ方向糸が挿入されると、曲げ加工後に曲げ方向の異なる曲げ部の間となる平面部以外の平面部に挿入された厚さ方向糸は、その一部が弛んだ状態となる場合がある。しかし、この発明では、そのような状態を回避することができる。

請求項１７に記載の発明は、請求項１１〜請求項１６のいずれか一項に記載の発明において、前記曲げ工程において、曲げ部を形成した後の前記積層繊維層の繊維体積率が、前記一次構造体の繊維体積率より高くなるように曲げ加工を行う。従って、曲げ工程において、曲げ部の外側になる連続繊維に繋がる繊維がずれようとする際に、厚さ方向糸がずれを許容するように移動され易くなり、曲げ部の内側になる連続繊維に皺や歪みが発生するのが抑制された状態で曲げ加工が行われる。その結果、三次元繊維構造体を曲げ部における皺や歪みの発生が抑制された状態で簡単に製造することができる。

請求項１８に記載の発明は、請求項１１、請求項１２、請求項１５、請求項１６及び請求項１７のいずれか一項に記載の発明において、前記連続繊維及び厚さ方向糸の少なくとも一方は、伸び率が２．４％以下である。１０％以上伸びる繊維（ナイロン、アクリル）と比較して、炭素繊維の伸び率は、一般に０．５％〜２．４％と小さく、弛みのない連続繊維を伸ばして曲げを行うことは難しい。しかし、この発明では連続繊維に炭素繊維を使用しても無理なく曲げ部を形成することができる。

請求項１９に記載の発明は、請求項１３又は請求項１４に記載の発明において、前記織物組織及び厚さ方向糸の少なくとも一方は、伸び率が２．４％以下である。１０％以上伸びる繊維（ナイロン、アクリル）と比較して、炭素繊維の伸び率は、一般に０．５％〜２．４％と小さく、弛みのない連続繊維を伸ばして曲げを行うことは難しい。しかし、この発明では、織物組織の繊維や厚さ方向糸に炭素繊維が使用された場合でも無理なく曲げ部を形成することができる。

本発明によれば、連続繊維からなる繊維層が積層されて少なくとも２軸配向となるように形成された積層繊維層から、曲げ加工で、曲げ部における皺や歪みの発生が抑制された状態で製造が可能な新規な構成の三次元繊維構造体を提供することができる。また、前記三次元繊維構造体を強化材とする複合材を提供することができる。さらに、前記三次元繊維構造体の製造方法を提供することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１（ａ），（ｂ）に示すように、三次元繊維構造体１１は、連続繊維が少なくとも２軸配向となるように配列された積層繊維層１２と、積層繊維層１２を結合するため積層繊維層１２の厚さ方向に配列された厚さ方向糸１３により構成されている。連続繊維としては、例えば、炭素繊維が使用される。炭素繊維はフィラメント数が３０００〜２４０００本程度である。

図１（ａ）に示すように、積層繊維層１２は、曲げ方向の異なる曲げ部１４ａ，１４ｂと、平面部１５ａ，１５ｂ，１５ｃとが連続する立体的な板状に形成されている。積層繊維層１２は、曲げ部として曲げ方向の異なる曲げ部１４ａ，１４ｂを平面部１５ｂが間に存在する隣り合う状態で備えている。具体的には、積層繊維層１２は、断面形状がハット状に形成され、曲げ部１４ａは、ハット形状の鍔の部分に対応する位置に設けられ、曲げ部１４ｂは、ハット形状の頂部に対応する位置に設けられている。即ち、一端が自由端の平面部１５ａの他端に曲げ部１４ａが連続し、曲げ部１４ａに対して平面部１５ｂを挟んで曲げ部１４ｂが隣り合う状態に形成されている。また、曲げ部１４ｂの間に平面部１５ｃが形成されている。

図１（ｂ）に示すように、積層繊維層１２は、配列角度０°の連続繊維１６ａから成る繊維層としての０度繊維層１２ａと、配列角度９０°の連続繊維１６ｂから成る繊維層としての９０度繊維層１２ｂとで構成されている。この明細書では、配列角度０°とは、連続繊維が曲げ部１４ａ，１４ｂの曲率中心線と平行に配列される状態を意味し、配列角度９０°とは連続繊維が曲げ部１４ａ，１４ｂの曲率中心線と直交するように配列される状態を意味する。０度繊維層１２ａと９０度繊維層１２ｂが交互に複数積層されて、２軸配向の積層繊維層１２が形成されている。

図２（ａ）に示すように、積層繊維層１２は、曲げ部１４ａ，１４ｂの曲率中心線と直交する仮想平面による断面における曲げ部１４ａ、平面部１５ｂ及び曲げ部１４ｂで形成される部分の形状、即ちＡＢＣＤＥＦＧＨを結ぶ線で形成される形状で、厚さ方向の一方の側の外形線ＬＧ１と、他方の側の外形線ＬＧ２の長さが等しく形成されている。即ち、積層繊維層１２は、曲げ部１４ａ，１４ｂの曲率中心線と直交する仮想平面による断面形状が、厚さ方向の一方の側の外形線ＬＧ１と、他方の側の外形線ＬＧ２の長さとが等しい形状に形成されている。

図１（ａ），図２（ａ）に示すように、曲げ方向の異なる曲げ部１４ａ，１４ｂに挟まれた平面部１５ｂには、厚さ方向糸１３が積層繊維層１２と斜めに交差する状態で配列されている。また、片側が自由端の平面部１５ａ及び曲げ方向が同じ２つの曲げ部１４ｂに挟まれた平面部１５ｃには、厚さ方向糸１３が積層繊維層１２と直交する方向に配列されている。即ち、三次元繊維構造体１１は、曲げ部１４ａ，１４ｂを挟んで隣り合う一方の平面部１５ｂには厚さ方向糸１３が積層繊維層１２即ち繊維層と斜めに交差する状態で配列され、他方の平面部１５ａ，１５ｃには厚さ方向糸１３が積層繊維層１２と直交する方向に配列されている。

積層繊維層１２は、曲げ部１４ａ，１４ｂ及び曲げ部１４ａ，１４ｂに挟まれる平面部１５ｂにおいて、外側の長さと内側の長さに差が無い状態で曲げられている。そのため、図２（ｂ）に示すように、平面部１５ｂにおいて積層繊維層１２と斜めに交差する状態で配列されている厚さ方向糸１３の長さをＬ、曲げ部１４ａの角度をθ（ラジアン）、曲げ部１４ａにおける積層繊維層１２の厚さをｔとした場合、ｔ／Ｌ＝cos( tan^−１θ) の関係が成立する。曲げ部１４ａの角度θとは、曲げ部１４ａの曲率中心Ｏと、曲げ部１４ａの両端とを結ぶ直線Ｌ１，Ｌ２の成す角度を意味する。この関係は、曲げ部１４ｂにおいても同様である。

次に前記のように構成された三次元繊維構造体１１の製造方法を説明する。
三次元繊維構造体１１は、連続繊維配列工程と、厚さ方向糸挿入工程と、曲げ工程とを備えている。

連続繊維配列工程では、図３（ａ），（ｂ）に示すように、規制部材としてのピン１７ａ，１７ｂが所定ピッチで配置された治具１８を使用する。治具１８は矩形の枠状に形成され、ピン１７ａ，１７ｂは着脱可能に立設されている。ピン１７ａのピッチは、治具１８の長手方向と直交する方向、即ち配列角度０°に配列される連続繊維１６ａの配列ピッチに合わせて設定され、ピン１７ｂのピッチは、治具１８の長手方向と平行に、即ち配列角度９０°に配列される連続繊維１６ｂの配列ピッチに合わせて設定されている。

そして、図３（ｂ）に示すように、治具１８上に、ピン１７ａと係合して折り返すように連続繊維１６ａがピン１７ａ間に配列されて、配列角度０°の繊維層としての０度繊維層１２ａが形成される。また、図３（ａ）に示すように、ピン１７ｂと係合して折り返すように連続繊維１６ｂがピン１７ｂ間に配列されて、配列角度９０°の繊維層としての９０度繊維層１２ｂが形成される。そして、９０度繊維層１２ｂ及び０度繊維層１２ａが交互に複数積層されて、２軸配向となる積層繊維層１２が形成される。図３（ａ），（ｂ）では、連続繊維１６ａ，１６ｂの配列間隔が広く図示されているが、連続繊維１６ａ，１６ｂは、隣接する連続繊維１６ａ，１６ｂ同士が接触する状態で配列される。

連続繊維配列工程終了後、積層繊維層１２が治具１８に保持されている状態で厚さ方向糸挿入工程が行われる。厚さ方向糸１３の挿入は、例えば、特許文献２に開示されている方法と同様に行われる。詳述すれば、積層繊維層１２の厚さ方向に、先端に孔を備え該孔に厚さ方向糸１３を掛止した図示しない挿入針を挿入する。挿入針は厚さ方向糸１３が掛止された孔が積層繊維層１２を貫通するまで前進する。その後、挿入針はわずかに後退される。その結果、厚さ方向糸１３はＵ字状のループを形成した状態となる。

次に図示しない抜け止め糸針が前記Ｕ字状のループ内を通過し、積層繊維層１２の端部まで到達した時点で停止する。この時抜け止め糸１９（図１（ｂ）に図示）が抜け止め糸針の先端に掛止される。そして、抜け止め糸針が引き戻され、抜け止め糸１９が厚さ方向糸１３のＵ字状ループ内に挿通された状態になる。その状態で挿入針が引き戻され、厚さ方向糸１３により抜け止め糸１９が締め付けられて積層繊維層１２が結合される。

厚さ方向糸挿入工程において、少なくとも曲げ工程後も平面部１５ｂとなる部分には厚さ方向糸１３を曲げ工程後の平面部１５ｂの積層繊維層１２の厚さより長く挿入する。曲げ加工後の積層繊維層１２の厚さが変化する場合は、曲げ工程後の平面部１５ａとなる部分の厚さ方向糸１３も曲げ工程後の平面部１５ａの積層繊維層１２の厚さより長く挿入する。積層繊維層１２への厚さ方向糸１３の挿入が完了すると、０度繊維層１２ａ及び９０度繊維層１２ｂが厚さ方向糸１３で結合された平板状の一次構造体（プリフォーム）２０が形成される。

次に厚さ方向糸１３が挿入された平板状の一次構造体２０の所定位置に曲げ部１４ａ，１４ｂを形成する曲げ工程が行われる。曲げ工程においては、曲げ部１４ａ，１４ｂを形成した後の積層繊維層１２の繊維体積率が、一次構造体２０の繊維体積率より高くなるように曲げ加工が行われる。

曲げ加工は、一次構造体２０を曲げ加工後に曲げ部１４ａ，１４ｂとなる部分より端部側で保持するとともに、一次構造体２０に配列角度９０°の連続繊維１６ｂの配列方向に所定範囲の張力を掛けた状態で、可動型により一次構造体２０を前記張力が加えられている方向と直交する方向に押圧する賦形装置を用いて行われる。

曲げ加工に使用する賦形装置は、図４（ａ），（ｂ）に示すように、一次構造体２０の端部を把持可能な一組のクランプ装置２１，２２備えている。クランプ装置２１，２２は、水平に配置されたエアシリンダ２３と、そのピストンロッド２３ａの先端に設けられた把持部２４とを備えている。クランプ装置２１，２２は、一次構造体（プリフォーム）２０の端部を把持部２４で把持した状態において、エアシリンダ２３により一次構造体２０を所定範囲の張力で引っ張ることが可能に構成されている。

また、賦形装置は、形成すべき三次元繊維構造体１１の曲げ部１４ｂの外側の形状に対応した型面２５ａを有する固定型２５と、曲げ部１４ｂの内側の形状に対応した形状の押圧面２６ａを有する可動型２６とを備えている。可動型２６は、上下方向に延びる状態で設けられたシリンダ２７のピストンロッド２７ａの先端に固定されている。可動型２６は、シリンダ２７の作動により、待機位置とクランプ装置２１，２２により所定範囲の張力が加えられて保持される一次構造体２０を押圧する作用位置とに移動されるようになっている。可動型２６の押圧面２６ａのうち、曲げ部に挟まれた平面部２６ｂは、一次構造体２０を押圧する際に、一次構造体２０との間で滑りが生じないように摩擦抵抗が大きく形成されているのが好ましい。摩擦抵抗を大きくする構成として、例えば、ゴム等の摩擦抵抗が大きな材料によるライニングがある。

一次構造体２０の曲げ加工は、図４（ａ）に示すように、クランプ装置２１，２２の把持部２４で一次構造体２０を把持し、一次構造体２０に対して水平方向に所定範囲の張力を加えた状態とする。その状態からシリンダ２７を作動させて、可動型２６を下降させる。下降途中で可動型２６の押圧面２６ａが一次構造体２０と係合する状態となり、一次構造体２０に対して可動型２６により押圧力が加えられる。可動型２６は一次構造体２０と係合した状態から更に下降移動が継続され、一次構造体２０は可動型２６との係合部が下方へ移動する。それにともなって、エアシリンダ２３のピストンロッド２３ａの突出量が大きくなり、両把持部２４の間隔が小さくなる。

両把持部２４が一定の高さ位置において一次構造体２０に水平方向の張力を加えている状態で、一次構造体２０の中央部が可動型２６により下方へ押圧されて下降移動することにより、一次構造体２０は押圧面２６ａと対応する部分だけでなく、把持部２４の近くにおいても曲げられた状態となる。一次構造体２０が曲げられると、当該曲げ部だけで見ると、内経路と外経路で長さが異なる状態となる。この経路差を吸収するように、９０度繊維層１２ｂにずれが発生すれば、曲げ部の内側に皺や歪みが発生せずに曲げ加工が行われることになる。

９０度繊維層１２ｂのずれを許容させるためには、９０度繊維層１２ｂのずれに伴って厚さ方向糸１３が積層繊維層１２の厚さ方向に対して斜めに配列された状態となる必要がある。しかし、従来は、曲げ加工の前と後で、積層繊維層１２の厚さが変わらない状態で曲げ加工が行われるため、９０度繊維層１２ｂを結合している厚さ方向糸１３が積層繊維層１２の厚さ方向に対して斜めに配列された状態となることができない。その結果、曲げ部の内側に皺や歪みが発生する状態となっていた。

これに対して、この実施形態では、曲げ加工の際に一次構造体２０は板厚方向に圧縮作用を受けながら曲げ作用を受ける。曲げ工程後に平面部１５ｂとなる部分には厚さ方向糸１３が曲げ工程後の平面部１５ｂの積層繊維層１２の厚さより長く挿入してある。そのため、一次構造体２０の厚さが曲げ加工を受ける際に小さくなり、厚さ方向糸１３は積層繊維層１２の厚さより長い状態となる。その結果、一次構造体２０が曲げられた際に、曲げ部の内経路と外経路の経路差を吸収するように、９０度繊維層１２ｂがずれるに伴って、厚さ方向糸１３が積層繊維層１２の厚さ方向に対して斜めに配列された状態となる。また、曲げ方向が異なる曲げ部１４ａ，１４ｂが平面部１５ｂの両側に存在するため、一方の曲げ部１４ａの内側のずれに対応する分が、他方の曲げ部１４ｂの外側のずれで吸収されるように変形する。

図２（ｂ）に示すように、曲げ部１４ａの曲率中心線と直交する仮想平面と対向する方向から見た場合の、曲げ部１４ａの角度（曲げ角）をθ（ラジアン）、曲げ部１４ａにおける積層繊維層１２の厚さをｔ、曲げ部１４ａに連続する平面部１５ｂの積層繊維層１２と斜めに交差する状態で配列されている厚さ方向糸１３の長さをＬとする。曲げ部１４ａの内側に皺や歪みが発生せずに曲げ部１４ａが形成されていると、曲げ部の角度θに対応する曲げ部１４ａの外経路の長さは（ｒ＋ｔ）θで表され、内経路の長さはｒθで表される。また、厚さ方向糸１３が平面部１５ｂの厚さ方向と成す角度をФとすると、（１）式が成り立つ。

（ｒ＋ｔ）θ＝ｒθ＋ｔ tanФ・・・（１）
（１）式からθ＝ tanФとなり、Ф＝ tan^−１θとなる。
また、 cosФ＝ｔ／Ｌであるので、（２）式が成り立つ。

ｔ／Ｌ＝ cos（ tan^−１θ）・・・（２）
この実施形態では、（２）式が成り立つ長さとなるように、厚さ方向糸挿入工程において厚さ方向糸１３が積層繊維層１２に挿入されているため、前記曲げ加工により、曲げ部１４ａ及び曲げ部１４ｂの内側に皺や歪みが発生しない状態で曲げ部１４ａ，１４ｂが形成される。

（２）式の左辺ｔ／Ｌは、曲げ加工後の積層繊維層１２の厚さと、曲げ加工前の積層繊維層１２の厚さとの比を表しており、この値は、積層繊維層１２の繊維体積率（Ｖｆ）の曲げ加工後の値と、曲げ加工前の値との比と同じになる。従って、（２）式から、曲げ部１４ａ，１４ｂの内側に皺や歪みが発生しない状態で三次元繊維構造体１１を製造するための繊維体積率の変化は、曲げ部１４ａ，１４ｂの内径（曲率半径）ｒには依存せずに、曲げ部の角度θに依存することが分かる。即ち、所望の繊維体積率の三次元繊維構造体１１を製造するには、一次構造体２０を製造する際の厚さ方向糸１３の長さＬと、曲げ加工時の曲げ部の角度θを調整することにより可能になることが分かる。

繊維体積率が７０％を超える三次元繊維構造体１１を強化材とするとともに樹脂をマトリックスとした複合材を製造する際、樹脂を三次元繊維構造体１１に均一に含浸させるのが難しくなる。また、一次構造体２０の繊維体積率Ｖｆが低いとハンドリング性が悪くなって作業性が落ち、一次構造体２０の繊維体積率Ｖｆが高いと厚さ方向糸１３の長さが短くなり、曲げ部の角度θが小さくなる。曲げ部の角度が３０°以上を可能とし、成形性とハンドリング性を確保するためには、一次構造体２０の繊維体積率Ｖｆは２０〜６０％となる。

三次元繊維構造体１１の板厚、即ち曲げ加工後の積層繊維層１２の厚さｔを５ｍｍ、曲げ部の外径Ｒを１０ｍｍ、内径ｒを５ｍｍで一定として、三次元繊維構造体１１の繊維体積率Ｖｆが４０％、５０％、６０％、７０％の三次元繊維構造体１１を製造する場合の一次構造体２０の繊維体積率Ｖｆ、厚さ方向糸１３の長さＬ、曲げ部の角度（°）の関係を表１〜表４に示す。

表１〜表４において、成形Ｖｆは三次元繊維構造体１１のＶｆを示し、曲げ前Ｖｆは一次構造体２０のＶｆを示す。

表１〜表４から、曲げ部の角度を９０°にする場合、三次元繊維構造体１１の繊維体積率が４０％であれば一次構造体２０の繊維体積率は２２％程度、三次元繊維構造体１１の繊維体積率が５０％であれば一次構造体２０の繊維体積率は２７％程度になる。また、三次元繊維構造体１１の繊維体積率が６０％であれば一次構造体２０の繊維体積率は３２％程度、三次元繊維構造体１１の繊維体積率が７０％であれば一次構造体２０の繊維体積率は３７％程度になる。

前記のように構成された三次元繊維構造体１１は、例えば、樹脂の含浸、硬化を行って繊維強化複合材（繊維強化樹脂）として使用される。樹脂の含浸、硬化には、例えば、レジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）法が採用される。ＲＴＭ法では、樹脂含浸用金型（成形金型）内に三次元繊維構造体１１を配置し、この樹脂含浸用金型内に熱硬化性のマトリック樹脂を注入して三次元繊維構造体１１に含浸させた後、加熱硬化させることにより、繊維強化複合材が製造される。熱硬化性樹脂として、例えばエポキシ樹脂が使用される。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）三次元繊維構造体１１は、連続繊維からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層１２が、曲げ部１４ａ，１４ｂと平面部１５ａ，１５ｂ，１５ｃとが連続する立体的な板状に形成されるとともに、積層繊維層１２の各繊維層と交差する状態で厚さ方向糸１３が配列されている。そして、曲げ部１４ａ，１４ｂを挟んで隣り合う一方の平面部１５ｂには厚さ方向糸１３が積層繊維層１２（繊維層）と斜めに交差する状態で配列され、他方の平面部１５ａ又は平面部１５ｃには厚さ方向糸１３が繊維層と直交する方向に配列されている。従って、三次元繊維構造体１１を製造する際に、連続繊維からなる繊維層が積層されて少なくとも２軸配向となるように形成され、かつ厚さ方向糸１３で結合された積層繊維層１２に曲げ加工を施すことで、曲げ部における皺や歪みの発生が抑制された状態で製造が可能になる。また、三次元繊維構造体１１を強化材として製造された複合材（繊維強化樹脂）は、厚さ方向糸１３が厚さ方向に平行に配列されている場合に比較して平面部１５ｂにおける剪断力に対する強度が高くなる。

（２）三次元繊維構造体１１を構成する積層繊維層１２は、曲げ部１４ａ，１４ｂの曲率中心線と直交する仮想平面による断面形状が、厚さ方向の一方の側の外形線ＬＧ１と、他方の側の外形線ＬＧ２の長さが等しい形状に形成されている。従って、三次元繊維構造体１１を製造する際に、厚さ方向糸１３で結合された積層繊維層１２に曲げ加工を施す際、曲げ部１４ａ，１４ｂの曲率中心線と直交する方向に延びる連続繊維１６ｂのずれが円滑に起こり、曲げ部１４ａ，１４ｂにおける皺や歪みの発生が抑制された状態で製造が可能になる。

（３）積層繊維層１２は、曲げ部として曲げ方向の異なる曲げ部１４ａ，１４ｂを平面部１５ｂが間に存在する隣り合う状態で備えており、曲げ方向の異なる曲げ部１４ａ，１４ｂに挟まれた平面部１５ｂに厚さ方向糸１３が積層繊維層１２（繊維層）と斜めに交差する状態で配列されている。従って、平面部１５ｂを挟んで隣り合う曲げ部１４ａ，１４ｂの曲げ方向が異なるため、一方の曲げ部１４ａにおいて外側となる繊維層は、他方の曲げ部１４ｂでは内側となり、積層繊維層１２を曲げて三次元繊維構造体１１を形成する際に、曲げ部１４ａ，１４ｂにおいて連続繊維１６ｂに皺や歪みが発生しない状態で曲げ易くなる。

（４）三次元繊維構造体１１は、平面部１５ｂにおいて積層繊維層１２（繊維層）と斜めに交差する状態で配列されている厚さ方向糸１３の長さをＬ、曲げ部の角度をθ（ラジアン）、曲げ部における積層繊維層１２の厚さをｔとした場合、ｔ／Ｌ＝cos( tan^−１θ) の関係を有する。従って、厚さ方向糸１３の長さが前記関係を満たすように三次元繊維構造体１１を製造することにより、三次元繊維構造体１１の厚さに関係なく、曲げ部において連続繊維に皺や歪みが発生しない状態で曲げ易くなる。

（５）三次元繊維構造体１１を強化材とし、樹脂をマトリックスとして複合材を製造することにより、曲げ部の内側に皺や歪みのない複合材（繊維強化樹脂）を容易に製造することができる。

（６）三次元繊維構造体１１の製造方法は、連続繊維配列工程と、厚さ方向糸挿入工程と、曲げ工程とを備えており、連続繊維配列工程では、治具１８上に連続繊維からなる繊維層が積層されて少なくとも２軸配向となる積層繊維層１２を形成する。厚さ方向糸挿入工程では、治具１８上の積層繊維層１２に厚さ方向糸１３を積層繊維層１２と直交するように、かつ曲げ工程後の平面部の積層繊維層１２の厚さより長く挿入して平板状の一次構造体２０を形成する。曲げ工程では、曲げ部を形成した後の積層繊維層１２の繊維体積率が、一次構造体２０の繊維体積率より高くなるように曲げ加工を行う。従って、三次元繊維構造体１１を曲げ部１４ａ，１４ｂにおける皺や歪みの発生が抑制された状態で簡単に製造することができる。

（７）三次元繊維構造体１１の曲げ部の角度をθ（ラジアン）、積層繊維層１２の厚さをｔ、曲げ方向の異なる曲げ部１４ａ，１４ｂの間の平面部１５ｂに配列されている厚さ方向糸１３の長さをＬとした場合、ｔ／Ｌ＝cos( tan^−１θ) の関係を満たす長さとなるように、厚さ方向糸挿入工程で挿入される厚さ方向糸１３の長さが設定される。従って、曲げ部の内側になる連続繊維に皺や歪みが発生しない状態で、曲げ加工を容易に行うことができる。

（８）一次構造体２０の曲げ加工は、一次構造体２０を曲げ加工後に曲げ部１４ａ，１４ｂとなる部分より端部側で保持するとともに、一次構造体２０に配列角度９０°の連続繊維１６ｂの配列方向に所定範囲の張力を掛けた状態で、可動型２６により一次構造体２０を張力が加えられている方向と直交する方向に押圧する賦形装置を用いて行われる。従って、曲げ加工が容易に行われる。

（９）連続繊維１６ａ，１６ｂとして炭素繊維が使用されている。１０％以上伸びる繊維（ナイロン、アクリル）と比較して、炭素繊維の破断伸び率は、一般に０．５％〜２．４％と小さく、一次構造体２０の曲げ加工時に厚さ方向糸１３の移動が許容されない場合は、曲げ部の内側に皺や歪みが発生し易くなるが、この実施形態では、連続繊維に炭素繊維を使用しても曲げ部を無理なく形成することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明を具体化した第２の実施形態を、図５及び図６を参照しながら説明する。この実施形態は、三次元繊維構造体１１の製造方法が第１の実施形態と異なる。具体的には製造工程の厚さ方向糸挿入工程において、積層繊維層１２の位置によって厚さ方向糸１３の挿入長さが異なり、その他の構成は第１の実施形態と基本的に同様であるため、同様の部分についてはその詳細な説明を省略する。

厚さ方向糸挿入工程において、積層繊維層１２に対して全ての部分に同じ長さで厚さ方向糸１３を挿入して一次構造体２０を形成すると、曲げ工程における曲げ加工後に、曲げ方向の異なる曲げ部１４ａ，１４ｂの間となる平面部１５以外の平面部１５ａ，１５ｃに挿入された厚さ方向糸１３は、その一部が弛んだ状態となる場合がある。なぜならば、曲げ工程後には、積層繊維層１２の繊維体積率が一次構造体２０の繊維体積率より高くなるため、三次元繊維構造体１１の厚さ、即ち曲げ工程後の積層繊維層１２の厚さは、一次構造体２０の厚さより薄くなる。そのため、曲げ工程においてずれが発生しない積層繊維層１２（繊維層）の部分に挿入されており、斜めになるように移動しない部分の厚さ方向糸１３は長さが三次元繊維構造体１１の厚さより長くなって弛んだ状態となる。

この実施形態では、厚さ方向糸挿入工程において厚さ方向糸１３を挿入する際に、曲げ工程における曲げ加工の際にずれが生じる平面部１５ｂと対応する部分には、第１の実施形態における（２）式の関係を満たす長さ、即ちｔ／Ｌ＝cos( tan^−１θ) の関係を満たす長さで厚さ方向糸１３が挿入される。また、他の平面部１５ａ，１５ｃ、即ち曲げ工程における曲げ加工の際にずれが生じない平面部１５ａ，１５ｃに挿入される厚さ方向糸１３は、曲げ工程後の当該平面部１５ａ，１５ｃにおける積層繊維層１２の厚さ、即ち三次元繊維構造体１１の厚さｔと同じ長さで挿入される。

従って、図５に示すように、一次構造体２０は、三次元繊維構造体１１の平面部１５ｂに対応する部分３０ｂに挿入される厚さ方向糸１３が長さＬで挿入される。また、三次元繊維構造体１１の平面部１５ｂを挟んで両側に位置する平面部１５ａ及び平面部１５ｃに対応する部分３０ａ，３０ｃに挿入される厚さ方向糸１３は、三次元繊維構造体１１の厚さｔに等しい長さで挿入される。なお、図５は一次構造体２０のほぼ半分の部分を示す模式図である。また、各３０ａ，３０ｂ，３０ｃの長さの比は、図示の都合上、他の場合と異なっており、厚さ方向糸１３の数も少なくなっている。この一次構造体２０が曲げ工程において第１の実施形態と同様にして曲げ加工を受けることにより、図６に示すように、第１の実施形態と同様な形状の三次元繊維構造体１１が形成される。

この実施形態によれば、第１の実施形態における（１）〜（９）と同様の効果の他に次の効果を得ることができる。
（１０）厚さ方向糸挿入工程において、曲げ工程後に曲げ方向の異なる曲げ部１４ａ，１４ｂの間となる平面部１５ｂに対応する部分３０ｂに挿入される厚さ方向糸１３は、その長さがｔ／Ｌ＝cos( tan^−１θ) の関係を満たす長さで挿入される。また、他の平面部１５ａ及び平面部１５ｃに対応する部分３０ａ，３０ｃに挿入される厚さ方向糸１３は、曲げ工程後の当該平面部における積層繊維層１２の厚さｔと同じ長さで挿入される。従って、曲げ加工後に曲げ方向の異なる曲げ部１４ａ，１４ｂの間となる平面部１５ｂ以外の平面部１５ａ，１５ｃに挿入された厚さ方向糸１３の一部が弛んだ状態となるのを回避することができる。

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。
○ 積層繊維層１２は、０度繊維層１２ａと９０度繊維層１２ｂとが交互に積層された構成に限らず、連続繊維からなる繊維層が積層されて形成された少なくとも２軸配向となる構成であればよい。例えば、配列角度が０°の連続繊維１６ａからなる０度繊維層１２ａと、配列角度が９０°の連続繊維１６ｂからなる９０度繊維層１２ｂに加えて、配列角度が＋４５°及び−４５°の連続繊維（バイアス繊維）からなるバイアス繊維層を有する４軸配向となる構成としてもよい。また、配列角度が０°の連続繊維１６ａと、バイアス繊維との組み合わせあるいは、配列角度が９０°の連続繊維１６ｂと、バイアス繊維との組み合わせにより３軸配向としてもよい。

○ 積層繊維層１２は、異なる配列角度の連続繊維からなる繊維層が交互に積層される構成に限らず、同じ配列角度の連続繊維からなる繊維層が複数層連続して積層された部分がある構成としてもよい。

○ 三次元繊維構造体１１は、織物組織からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層１２が、曲げ部と平面部とが連続する立体的な板状に形成されるとともに、積層繊維層１２の各繊維層と交差する状態で厚さ方向糸１３が配列された構成でもよい。即ち、三次元繊維構造体１１は積層された織物が厚さ方向糸１３で結合された構成であってもよい。この場合、三次元繊維構造体１１を製造する際は、連続繊維配列工程に代えて織物を積層する織物積層工程が行われる。その他の工程、即ち厚さ方向糸挿入工程及び、厚さ方向糸１３が挿入された平板状の一次構造体２０の所定位置に曲げ部を形成する曲げ工程は前記実施の形態と同様に行われる。織物としては、例えば、平織りの織物が使用されるが、二重織物、三重織物、風通織物等の多層織物を積層してもよい。この場合、連続繊維を配列した繊維層を積層して積層繊維層１２を構成するより、積層繊維層１２の形成を短時間で行うことができる。

○ 三次元繊維構造体１１は、少なくとも２軸配向となる積層繊維層１２が、曲げ部と平面部とが連続する立体的な板状に形成されるとともに、曲げ部を挟んで隣り合う一方の平面部には厚さ方向糸１３が繊維層と斜めに交差する状態で配列され、他方の平面部には厚さ方向糸１３が繊維層と直交する方向に配列されている構成であればよい。例えば、図７（ａ）に示すように、１個の曲げ部１４ａと２個の平面部１５ａ，１５ｂからなる断面Ｌ字状の三次元繊維構造体１１や、図７（ｂ）に示すように、２個の曲げ部１４ａ，１４ｂと３個の平面部１５ａ，１５ｂからなる断面クランク形状の三次元繊維構造体１１であってもよい。断面クランク形状の三次元繊維構造体１１は、一次構造体２０の両端部を把持した状態で張力をかけつつ、両端部を相対移動させるようにして曲げ加工を行うことで形成される。また、図７（ａ）に示す三次元繊維構造体１１は、図７（ｂ）に示す断面クランク形状の三次元繊維構造体１１を平面部１５ｂにおいて切断することで形成することができる。これらの三次元繊維構造体１１も複合材（繊維強化樹脂）の強化材として使用される。

○ 図７（ａ）に示すように、１個の曲げ部１４ａと２個の平面部１５ａ，１５ｂからなる断面Ｌ字状の三次元繊維構造体１１の製造方法は、図７（ｂ）に示す断面クランク形状の三次元繊維構造体１１を平面部１５ｂにおいて切断する方法に限らない。例えば、一次構造体２０の一端側を固定把持した状態で、一次構造体２０に対してその厚さ方向に押圧力作用させることにより曲げ加工を施しても製造することができる。この場合、一次構造体２０を型に沿わせるように曲げを施すのが好ましい。

○ 三次元繊維構造体１１は、図８に示すように、ハット形状が連続した断面形状のように複雑な断面形状であってもよい。この三次元繊維構造体１１は、曲げ方向の異なる曲げ部１４ａ，１４ｂに挟まれた平面部１５ｂを４個、一端が自由端の平面部１５ａを２個、曲げ方向が同じ曲げ部に挟まれた平面部１５ｃを３個備えている。この三次元繊維構造体１１を製造する場合は、中央に位置する平面部１５ｃとなる部分を固定位置に保持した状態で、第１の実施形態と同様に一次構造体２０の両端部をクランプ装置２１，２２で把持する。そして、一次構造体２０に水平方向に所定範囲の張力を加えた状態で保持するとともに、２個の可動型２６で一次構造体２０を下方へ押圧する。このとき、可動型２６が一次構造体２０、即ち積層繊維層１２を押圧している箇所（平面部２６ｂ）が積層繊維層１２に対して相対移動しないように移動させる必要がある。そのため、シリンダ２７は、第１の実施形態等と異なり、水平方向にも移動される。また、把持部２４は、第１の実施形態等と同様に互いに近づく方向に移動される。

○ 曲げ部１４ａ，１４ｂを挟んで隣り合う一方の平面部１５ｂに配列される厚さ方向糸１３が積層繊維層１２と斜めに交差する状態で配列され、他方の平面部１５ａ，１５ｃに配列される厚さ方向糸１３が積層繊維層１２（繊維層）と直交する方向に配列される構成に限らない。一方の平面部１５ｂに配列される厚さ方向糸１３と、他方の平面部１５ａ，１５ｃに配列される厚さ方向糸１３が積層繊維層１２に対して交差する角度が異なる方向に配列されていればよい。

○ 三次元繊維構造体１１として、２個の曲げ部が平面部を挟むように設けられている部分を備えており、平面部に配列される厚さ方向糸１３が繊維層と斜めに交差する状態で配列されている構成でもよい。

○ 三次元繊維構造体１１として、２個の曲げ部が平面部を挟むように設けられている構造の場合、２個の曲げ部と３個の平面部が交互に連続する構成の物を製造した後、両端の平面部を除去する方法に限らない。例えば、一次構造体２０の両端面を接着剤で保持部材に固着して、保持部材を移動させることで、製造することができる。

○ 三次元繊維構造体１１は、曲げ部及び平面部と同時に交差する断面における形状が、一定の大きさではなく、三次元繊維構造体１１の一端側から徐々に拡大又は縮小される形状であってもよい。このような構成の三次元繊維構造体１１では、積層繊維層１２は、曲げ部及び平面部に跨るように連続繊維が配列される仮想平面による断面形状が、厚さ方向の一方の側における外形線の長さと、他方の側における外形線の長さとが等しい形状に形成されているのが好ましい。その場合、三次元繊維構造体１１を製造する際に、厚さ方向糸１３で結合された積層繊維層１２に曲げ加工を施す際、連続繊維のずれが円滑に起こり、曲げ部における皺や歪みの発生が抑制された状態で製造が可能になる。

○ 曲げ部の角度をθ（ラジアン）、厚さ方向糸が前記曲げ部に隣接する平面部の厚さ方向と成す角度をФとするとθ＝ｔａｎФを満たすように三次元繊維構造体１１を構成すると、平面部１５ｂと平面部１５ｃとの成す角度を９０°に近づけることが容易になる。

○ 三次元繊維構造体１１の曲げ部の角度をθ（ラジアン）、積層繊維層１２の厚さをｔ、曲げ方向の異なる曲げ部１４ａ，１４ｂの間の平面部１５ｂに配列されている厚さ方向糸１３の長さをＬとした場合、ｔ／Ｌ＜cos( tan^−１θ) の関係を満たす長さとなるように、厚さ方向糸挿入工程で挿入される厚さ方向糸１３の長さを設定してもよい。この場合、曲げ方向の異なる曲げ部１４ａ，１４ｂの間の平面部１５ｂに配列された厚さ方向糸１３は、ｔ／Ｌ＝cos( tan^−１θ) の関係を満たす場合に比較して、張力が弱くなる。しかし、曲げ工程において、一次構造体２０が曲げ作用を受ける際に曲げ部１４ａ，１４ｂの外側の９０度繊維層１２ｂのずれに伴って厚さ方向糸１３も支障なく移動することができ、曲げ部１４ａ，１４ｂの内側になる連続繊維に皺や歪みが発生しない状態で、曲げ加工を容易に行うことができる。

○ 積層繊維層１２を構成する連続繊維は炭素繊維に限らず、三次元繊維構造体１１に要求される物性に対応して、アラミド繊維、ガラス繊維等を使用してもよい。
○ 三次元繊維構造体１１を強化材とした複合材に使用される熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂に限らず、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂等を使用してもよい。

○ 三次元繊維構造体１１を強化材とした複合材を構成するマトリックス樹脂として熱硬化性樹脂に代えて、熱可塑性樹脂を使用してもよい。マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を使用する場合は、積層繊維群に溶融含浸成形法など一般の含浸法で熱可塑性樹脂が含浸された後、冷却されて複合材が形成される。熱可塑性樹脂としては、例えば、ナイロン、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネートなどが使用される。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の発明において、三次元繊維構造体の曲げ部の角度をθ（ラジアン）、厚さ方向糸が前記曲げ部に隣接する平面部の厚さ方向と成す角度をФとするとθ＝ｔａｎФを満たす。

（ａ）は第１の実施形態における三次元繊維構造体の模式斜視図、（ｂ）は一次構造体の積層繊維層と厚さ方向糸との関係を示す模式断面図。 （ａ）は曲げ部に挟まれた平面部の厚さ方向糸の配列状態を示す模式図、（ｂ）は曲げ部における内経路と外経路の関係を示す模式図。 （ａ），（ｂ）は治具と連続繊維の配列状態を示す模式平面図。 （ａ），（ｂ）は曲げ工程の手順を示す模式図。 第２の実施形態における一次構造体の厚さ方向糸の配列状態を示す部分模式図。 三次元繊維構造体の模式図。 （ａ），（ｂ）は別の実施形態における三次元繊維構造体の模式図。 別の実施形態における三次元繊維構造体が形成された状態を示す模式図。 従来技術を示す模式図。

符号の説明

Ｌ…長さ、ｔ…厚さ、θ…角度、ＬＧ１，ＬＧ２…外形線、１１…三次元繊維構造体、１２…積層繊維層、１２ａ…繊維層としての０度繊維層、１２ｂ…繊維層としての９０度繊維層、１３…厚さ方向糸、１４ａ，１４ｂ…曲げ部、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…平面部、１６ａ，１６ｂ…連続繊維、１８…治具、２０…一次構造体、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ…部分。

Claims (19)

1. 連続繊維からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層が、曲げ部と平面部とが連続する立体的な板状に形成されるとともに、前記積層繊維層の各繊維層と交差する状態で厚さ方向糸が配列された三次元繊維構造体であって、
   前記曲げ部を挟んで隣り合う一方の平面部に配列される前記厚さ方向糸と、他方の平面部に配列される前記厚さ方向糸とは前記繊維層に対して交差する角度が異なる方向に配列されていることを特徴とする三次元繊維構造体。
2. 織物組織からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層が、曲げ部と平面部とが連続する立体的な板状に形成されるとともに、前記積層繊維層の各繊維層と交差する状態で厚さ方向糸が配列された三次元繊維構造体であって、
   前記曲げ部を挟んで隣り合う一方の平面部に配列される前記厚さ方向糸と、他方の平面部に配列される前記厚さ方向糸とは前記繊維層に対して交差する角度が異なる方向に配列されていることを特徴とする三次元繊維構造体。
3. 前記一方の平面部には前記厚さ方向糸が前記繊維層と斜めに交差する状態で配列され、前記他方の平面部には前記厚さ方向糸が前記繊維層と直交する方向に配列されている請求項１又は請求項２に記載の三次元繊維構造体。
4. 連続繊維からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層が、曲げ部と平面部とが連続する立体的な板状に形成されるとともに、前記積層繊維層の各繊維層と交差する状態で厚さ方向糸が配列された三次元繊維構造体であって、
   ２個の曲げ部が平面部を挟むように設けられている部分を備えており、前記平面部に配列される前記厚さ方向糸は前記繊維層と斜めに交差する状態で配列されていることを特徴とする三次元繊維構造体。
5. 前記積層繊維層は、前記曲げ部の曲率中心線と直交する仮想平面による断面形状が、厚さ方向の一方の側における外形線の長さと、他方の側における外形線の長さとが等しい形状に形成されている請求項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. 前記積層繊維層は、前記曲げ部及び前記平面部に跨るように前記連続繊維が配列される仮想平面による断面形状が、厚さ方向の一方の側における外形線の長さと、他方の側における外形線の長さとが等しい形状に形成されている請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の三次元繊維構造体。
7. 前記積層繊維層は、前記曲げ部として曲げ方向の異なる曲げ部を平面部が間に存在する隣り合う状態で備えており、前記曲げ方向の異なる曲げ部に挟まれた平面部に前記厚さ方向糸が前記繊維層と斜めに交差する状態で配列されている請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の三次元繊維構造体。
8. 前記仮想平面と対向する方向から見た場合、前記平面部において前記繊維層と斜めに交差する状態で配列されている前記厚さ方向糸の長さをＬ、曲げ部の角度をθ（ラジアン）、前記曲げ部における前記積層繊維層の厚さをｔとした場合、ｔ／Ｌ≦cos( tan^−１θ) の関係を有する請求項５〜請求項７のいずれか一項に記載の三次元繊維構造体。
9. 前記連続繊維及び厚さ方向糸の少なくとも一方は、伸び率が２．４％以下である請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の三次元繊維構造体。
10. 請求項１〜請求項９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、樹脂をマトリックスとしている複合材。
11. 連続繊維からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層が、曲げ部と平面部とが連続し、かつ曲げ方向の異なる曲げ部が平面部を間にして隣り合う状態で隣接して存在する立体的な板状に形成されるとともに、前記積層繊維層の各繊維層と交差する状態で厚さ方向糸が配列された三次元繊維構造体の製造方法であって、
    規制部材が所定ピッチで配置された治具上に、前記規制部材と係合して折り返すように連続繊維を前記規制部材間に配列して形成した繊維層を複数積層して少なくとも２軸配向となる積層繊維層を形成する連続繊維配列工程と、
    前記積層繊維層に厚さ方向糸を前記積層繊維層と直交するように挿入して平板状の一次構造体を形成する厚さ方向糸挿入工程と、
    前記厚さ方向糸が挿入された平板状の一次構造体の所定位置に曲げ部を形成する曲げ工程とを備え、
    前記厚さ方向糸挿入工程において、少なくとも前記曲げ工程後に曲げ方向の異なる曲げ部に挟まれた平面部となる部分には、厚さ方向糸を前記曲げ工程後の平面部の積層繊維層の厚さより長く挿入することを特徴とする三次元繊維構造体の製造方法。
12. 連続繊維からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層が、曲げ部と平面部とが連続する立体的な板状に形成されるとともに、前記積層繊維層の各繊維層と交差する状態で厚さ方向糸が配列された三次元繊維構造体の製造方法であって、
    規制部材が所定ピッチで配置された治具上に、前記規制部材と係合して折り返すように連続繊維を前記規制部材間に配列して形成した繊維層を複数積層して少なくとも２軸配向となる積層繊維層を形成する連続繊維配列工程と、
    前記積層繊維層に厚さ方向糸を前記積層繊維層と直交するように挿入して平板状の一次構造体を形成する厚さ方向糸挿入工程と、
    前記厚さ方向糸が挿入された平板状の一次構造体の所定位置に曲げ部を形成する曲げ工程とを備え、
    前記厚さ方向糸挿入工程において、前記曲げ工程後に曲げ部を挟んで隣り合う少なくとも一方の平面部となる部分には、厚さ方向糸を前記曲げ工程後の平面部の積層繊維層の厚さより長く挿入することを特徴とする三次元繊維構造体の製造方法。
13. 織物組織からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層が、曲げ部と平面部とが連続し、かつ曲げ方向の異なる曲げ部が平面部を間にして隣り合う状態で隣接して存在する立体的な板状に形成されるとともに、前記積層繊維層の各繊維層と交差する状態で厚さ方向糸が配列された三次元繊維構造体の製造方法であって、
    織物を積層して積層繊維層を形成する織物積層工程と、
    前記積層繊維層に厚さ方向糸を前記積層繊維層と直交するように挿入して平板状の一次構造体を形成する厚さ方向糸挿入工程と、
    前記厚さ方向糸が挿入された平板状の一次構造体の所定位置に曲げ部を形成する曲げ工程とを備え、
    前記厚さ方向糸挿入工程において、少なくとも前記曲げ工程後に曲げ方向の異なる曲げ部に挟まれた平面部となる部分には、厚さ方向糸を前記曲げ工程後の平面部の積層繊維層の厚さより長く挿入することを特徴とする三次元繊維構造体の製造方法。
14. 織物組織からなる繊維層が積層された少なくとも２軸配向となる積層繊維層が、曲げ部と平面部とが連続する立体的な板状に形成されるとともに、前記積層繊維層の各繊維層と交差する状態で厚さ方向糸が配列された三次元繊維構造体の製造方法であって、
    織物を積層して積層繊維層を形成する織物積層工程と、
    前記積層繊維層に厚さ方向糸を前記積層繊維層と直交するように挿入して平板状の一次構造体を形成する厚さ方向糸挿入工程と、
    前記厚さ方向糸が挿入された平板状の一次構造体の所定位置に曲げ部を形成する曲げ工程とを備え、
    前記厚さ方向糸挿入工程において、前記曲げ工程後に曲げ部を挟んで隣り合う少なくとも一方の平面部となる部分には、厚さ方向糸を前記曲げ工程後の平面部の積層繊維層の厚さより長く挿入することを特徴とする三次元繊維構造体の製造方法。
15. 前記曲げ工程における曲げ加工完了後の三次元繊維構造体の曲げ部の角度をθ（ラジアン）、前記曲げ部における前記積層繊維層の厚さをｔ、前記曲げ方向の異なる曲げ部の間の平面部に配列されている前記厚さ方向糸の長さをＬとした場合、ｔ／Ｌ≦cos( tan^−１θ) の関係を満たす長さとなるように、前記厚さ方向糸挿入工程において、少なくとも前記曲げ工程後に曲げ方向の異なる曲げ部の間となる平面部に挿入される厚さ方向糸の長さが設定される請求項１１又は請求項１３に記載の三次元繊維構造体の製造方法。
16. 前記厚さ方向糸挿入工程において、前記曲げ工程後に曲げ方向の異なる曲げ部の間となる平面部に挿入される厚さ方向糸は、その長さが前記ｔ／Ｌ＝cos( tan^−１θ) の関係を満たす長さで挿入され、他の平面部に挿入される厚さ方向糸は、前記曲げ工程後の当該平面部における前記積層繊維層の厚さと同じ長さで挿入される請求項１５に記載の三次元繊維構造体の製造方法。
17. 前記曲げ工程において、曲げ部を形成した後の前記積層繊維層の繊維体積率が、前記一次構造体の繊維体積率より高くなるように曲げ加工を行う、請求項１１〜請求項１６のいずれか一項に記載の三次元繊維構造体の製造方法。
18. 前記連続繊維及び厚さ方向糸の少なくとも一方は、伸び率が２．４％以下である請求項１１、請求項１２、請求項１５、請求項１６及び請求項１７のいずれか一項に記載の三次元繊維構造体の製造方法。
19. 前記織物組織及び厚さ方向糸の少なくとも一方は、伸び率が２．４％以下である請求項１３又は請求項１４に記載の三次元繊維構造体の製造方法。

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