JPH11269755A - 三次元繊維構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板部と補強リブとが厚さ方向糸により結合
された三次元繊維構造体の、補強リブと基板部との接続
部の強度を大きくする。 【解決手段】 三次元繊維構造体Ｗは基板部１にＴ字状
の補強リブ２が厚さ方向糸ｚにより結合されている。基
板部１及び補強リブ２ともそれぞれ複数の糸層を積層し
て形成された面内４軸の配向となる積層糸群と、その厚
さ方向に配列された厚さ方向糸ｚとを含む５軸の三次元
繊維構造体で構成されている。積層糸群は互いに直交す
る両面内配列糸と、両面内配列糸に対して±４５°で交
差するように配列されたバイアス糸からなる。補強リブ
２と基板部１とはその平面部が対応する位置において
は、厚さ方向糸ｚが基板部１の厚さ方向と平行に配列さ
れている。また、屈曲部４と対応する位置においては、
厚さ方向糸ｚは基板部１の厚さ方向に対して交差する状
態で、屈曲部４及び基板部１を貫通するように配列され
ている。

Description

【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、詳しくは補強リブを有する板状の三次元繊維構造
体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】繊維強化複合材（ＦＲＰ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】そして、航空機の胴体等に使用されるステ
ィフナー付プレートを、三次元繊維構造体を骨格材とし
た耐衝撃性に優れた三次元繊維構造体複合材で製作する
ことが考えられている。例えば、ＮＡＳＡ（米国航空宇
宙局）の報告書ＮＡＳＡ／ＴＰ−９７−２０６２３４に
は、図１６（ａ）に示すように、ユニ・ウィーブ織物
（Uni-Weave fabric）を複数枚積層して形成したＴ字状
の補強リブ７０と、図１６（ｂ）に示すように、ユニ・
ウィーブ織物を複数枚積層して形成した平板７１とを結
合糸で縫い合わせて製造した三次元繊維構造体Ｗ（図１
６（ｃ）に図示）が開示されている。補強リブ７０及び
基板７１はそれぞれ配向角が０°、４５°、−４５°及
び９０°のユニ・ウィーブ織物を複数枚積層して面内４
軸とし、結合糸を含めて５軸構成となっている。

【０００４】特開平１−２０７４６５号公報には、平板
部上に断面Ｔ字状やＩ字状の突条部が複数本形成された
異形断面の三次元織物と、その製造方法が開示されてい
る。この三次元織物は、三次元織物の断面形状に対応し
て多数本の長さ方向糸を複数行、複数列に配列し、幅方
向糸を隣接する長さ方向糸群の行間に、長さ方向糸と直
交する状態で幅方向に往復させながら挿入する工程と、
垂直方向糸を長さ方向糸の列間に長さ方向糸と直交する
状態で上下方向に往復させながら挿入する工程とを繰り
返して製造される。

【０００５】特開平３−２８６８４１号公報には、平板
状のプリプレグと、ほぼＬ字状に屈曲させた２枚のプリ
プレグを接合してほぼＴ字状に形成したプリプレグとを
図１６と同様に接合した状態でファイバで縫合する複合
材構造物の製造方法が開示されている。

【０００６】特開平６−１８４９０６号公報には、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に形
成された三次元繊維構造体が開示されている。この三次
元繊維構造体は隣接する板状部の接続部の強度を高める
ため、両板状部に跨がって連続する糸をその構成要素と
して持っている。この三次元繊維構造体は屈曲状態で連
続する板状部を構成するように、糸の配列方向が異なる
糸層が所定数積層形成された積層糸群を厚さ方向糸で結
合して構成する。また、二つの三次元繊維構造体を合体
して異なる断面形状の三次元繊維構造体を製造する方法
が開示されている。例えば、コ字形の三次元繊維構造体
を背中合わせに合体させてＨ状断面の三次元繊維構造体
を製造することが開示されている。

【０００７】また、特開平４−２８９２４３号公報に
は、複数の板状部がＴ字状に接合された接合部を有する
形状に形成され、各板状部がその厚さ方向の成分を含む
少なくとも３軸で構成され、隣接する板状部の接合部と
交差する方向に延びるとともに各板状部の厚さ方向と直
交する面に沿って配列され、かつ接合部を挟む両板状部
に跨って連続する糸をその構成要素として持つ三次元織
物（三次元繊維構造体）が開示されている。この三次元
織物は図１７に示すように、多数の規制部材７２に貫通
された状態で断面Ｌ字状に形成された積層糸群７３，７
４と、平板状の積層糸群７５を組み合わせ、各積層糸群
７３〜７５を貫通する規制部材７２を順次厚さ方向糸ｚ
と順次置換して積層糸群７３〜７５を結合することによ
り形成される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】特開平１−２０７４６
５号公報に開示された三次元織物は、平板部や突条部が
面内２軸で厚さ方向の糸を含めても３軸構成で、かつ屈
曲状態で連続する面に跨って配列される糸がないため、
複合材を形成した時の物性が不十分となる。

【０００９】その他の従来技術の三次元繊維構造体（三
次元織物）は、各板状部が少なくとも面内３軸で構成さ
れ、かつ屈曲状態で連続する面に跨って配列される糸が
存在する。従って、特開平１−２０７４６５号公報に開
示された三次元織物を骨格材とした複合材より物性（特
に強度や耐衝撃性）の優れた複合材を形成することがで
きる。

【００１０】しかし、前記従来の三次元繊維構造体は、
平板部と補強リブとを結合する結合糸（厚さ方向糸）
は、いずれも平板部の厚さ方向と平行に配列されるた
め、平板部及び補強リブの平面が対向する位置において
のみ両者を貫いて結合に寄与する。従って、補強リブの
屈曲部と平板部とが対向する箇所、即ち、図１７におい
て鎖線で囲んだ領域では、両者を貫いて結合に寄与する
結合糸が存在しない。その結果、複合材を製造したとき
に、応力集中が生じやすい箇所の強度が不十分となり、
それを補うため三次元繊維構造体全体の強度を高める必
要が生じて、三次元繊維構造体が厚くなるという問題が
ある。

【００１１】本発明は前記の問題点に鑑みてなされたも
のであって、その目的は基板部と補強リブとが厚さ方向
糸により結合された三次元繊維構造体の、補強リブと基
板部との接続部の強度を大きくして、同じ要求物性であ
れば複合材を薄くできる三次元繊維構造体を提供するこ
とにある。

【００１２】

【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、三次元繊維構造体で構
成された基板部と、三次元繊維構造体で構成された補強
リブとが厚さ方向糸により結合された三次元繊維構造体
であって、前記補強リブはほぼ直角に屈曲された状態で
連続する板状部を有し、前記板状部の一つが前記基板部
に垂直となるように基板部に結合されるとともに、前記
補強リブと前記基板部とを結合する厚さ方向糸は、前記
補強リブの屈曲部と対応する位置においては、前記基板
部の厚さ方向に対して交差する状態で屈曲部及び基板部
を貫通するように配列されている。

【００１３】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、前記補強リブは少なくとも前記基板
部との結合部付近がＴ字状に形成されている。請求項３
に記載の発明では、請求項１又は請求項２に記載の発明
において、前記基板部及び前記補強リブは、それぞれ複
数の糸層を積層して形成された面内３軸以上の配向とな
る積層糸群と、その厚さ方向に配列された厚さ方向糸と
を含む少なくとも４軸で構成されている。

【００１４】請求項４に記載の発明では、請求項３に記
載の発明において、前記基板部、補強リブ及び厚さ方向
糸が全てカーボン糸で形成されている。請求項１に記載
の発明の三次元繊維構造体では、補強リブの屈曲部と対
応する位置において、基板部の厚さ方向に対して交差す
る状態で屈曲部及び基板部を貫通するように配列された
厚さ方向糸が存在する。従って、補強リブに横方向から
の力が作用したとき、前記厚さ方向糸がその力を担うた
め、強度が高くなる。

【００１５】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、補強リブは少なくとも基板部との結
合部付近がＴ字状に形成されているため、横方向のどち
ら側から力が作用しても曲げに対して良好な強度を確保
できる。

【００１６】請求項３に記載の発明では、請求項１又は
請求項２に記載の発明において、基板部及び補強リブ
は、それぞれ複数の糸層を積層して形成された面内３軸
以上の配向となる積層糸群と、その厚さ方向に配列され
た厚さ方向糸とを含む少なくとも４軸で構成されている
ため、物性（特に強度や耐衝撃性）の優れた複合材を得
ることができる。

【００１７】請求項４に記載の発明では、請求項３に記
載の発明において、前記基板部、補強リブ及び厚さ方向
糸が全てカーボン糸で形成されているため、他の材質製
の糸やカーボン糸と他の材質製の糸とを組み合わせて使
用した場合に比較して、複合材としたときの物性が向上
する。

【００１８】

【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１２に従っ
て説明する。図１及び図２に示すように、三次元繊維構
造体Ｗは基板部１と補強リブ２とが厚さ方向糸ｚにより
結合されて構成されている。基板部１は平板状に形成さ
れ、補強リブ２は基板部１との結合部付近がＴ字状とな
る断面形状に形成されている。この実施の形態では補強
リブ２はＬ字状断面の三次元繊維構造体ＷＬを接合し
て、全体の断面形状がＴ字状に形成されている。補強リ
ブ２はほぼ直角に屈曲された状態で連続する板状部２
ａ，２ｂ，２ｃを有し、板状部２ａ，２ｂ，２ｃのうち
の一つの板状部２ａが基板部１に垂直となるように基板
部１に結合されている。補強リブ２は互いに平行に複数
（この実施の形態では２個）設けられている。

【００１９】基板部１及び補強リブ２は、それぞれ複数
の糸層（ｘ糸層、ｙ糸層及びバイアス糸層）を積層して
形成された面内４軸の配向となる積層糸群３と、その厚
さ方向に配列された厚さ方向糸ｚとを含む５軸の三次元
繊維構造体で構成されている。図３（ａ）〜（ｄ）はＬ
字状断面の三次元繊維構造体ＷＬの積層糸群３を構成す
る各糸層の糸の配列を示す模式図である。

【００２０】図３（ｂ）に示すように、ｘ糸層は三次元
繊維構造体の厚さ方向と直交する面内において、幅方向
又は長さ方向の一方（この実施の形態では幅方向）に沿
って配列された第１の面内配列糸ｘからなり、１本の糸
が折り返し状に配列されて形成されている。図３（ａ）
に示すように、ｙ糸層はｘ糸層と平行な面内で第１の面
内配列糸ｘと直交する方向に配列された第２の面内配列
糸ｙからなり、１本の糸が折り返し状に配列されて形成
されている。図３（ｃ），（ｄ）に示すように、バイア
ス糸層はｘ糸層と平行な面内で両面内配列糸ｘ，ｙに対
して所定の角度（この実施の形態では４５°及び−４５
°）で交差するように折り返し状に平行に配列されたバ
イアス糸Ｂ1 ，Ｂ2 からなる。バイアス糸Ｂ1 ，Ｂ2 は
屈曲部４と交差する状態で両板状部２ａ，２ｂに跨がっ
て連続するように配列されている。また、基板部１を構
成するｘ糸層、ｙ糸層及びバイアス糸層も同様に構成さ
れている。即ち、基板部１及び補強リブ２は、配向角が
９０°の第１の面内配列糸ｘと、配向角が０°の第２の
面内配列糸ｙと、配向角が４５°のバイアス糸Ｂ1と、
配向角が−４５°のバイアス糸Ｂ2 とで積層糸群３が構
成されている。なお、配向角とは糸が三次元繊維構造体
Ｗの長手方向となす角度を意味する。

【００２１】図１に示すように、補強リブ２と基板部１
とはその平面部が対応する位置においては、厚さ方向糸
ｚが基板部１の厚さ方向と平行に配列されている。ま
た、補強リブ２の屈曲部４と対応する位置においては、
厚さ方向糸ｚは基板部１の厚さ方向に対して交差する状
態で、屈曲部４及び基板部１を貫通するように配列され
ている。基板部１の厚さ方向と交差するように配列され
る厚さ方向糸ｚが基板部１となす角度θは、４０°〜７
０°の範囲が好ましい。厚さ方向糸ｚは基板部１の表面
側（補強リブ２が接合される面と同じ側）で折り返すよ
うに底面側から挿入されるとともに、表面側において幅
方向に配列された抜け止め糸（図示せず）により抜け止
めされている。厚さ方向糸ｚが抜け止め糸と共同で各糸
層を締め付けることにより、各糸層が結合されている。

【００２２】なお、各糸を構成する繊維の材質としては
複合材の用途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、各糸としてカーボン糸
が使用されている。カーボン糸には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。

【００２３】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、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。

【００２４】前記のように構成された三次元繊維構造体
Ｗを骨格材とした複合材の補強リブに横方向からの荷重
（力）が作用した場合、補強リブ２の屈曲部４（コーナ
部）に大きな応力が作用する。第２の面内配列糸ｙ及び
バイアス糸Ｂ1 ，Ｂ2 が屈曲部４と交差する方向に延び
るとともに両板状部２ａ，２ｂ、２ａ，２ｃに跨がって
配列されているため、それらの糸が屈曲部４に作用する
応力に耐える方向の力を分担するように有効に寄与す
る。また、屈曲部４及び基板部１を貫通するように配列
された厚さ方向糸ｚも、屈曲部４に作用する応力に補強
リブに作用する力が作用したとき、前記厚さ方向糸ｚが
その力に耐える方向の力を分担するため、複合材の強度
が向上する。

【００２５】次に前記のように構成された三次元繊維構
造体Ｗの製造方法の一例を説明する。三次元繊維構造体
Ｗを製造する場合、図４に示すようなほぼＬ字状の枠体
５を使用して、本願出願人が先に提案した方法（特開平
９−１３７３３６号公報）でＬ字状の三次元織物（三次
元繊維構造体）を２体製作する。また、四角形状の枠体
を使用して基板部１となる平板状の積層糸群３を１体製
作する。

【００２６】Ｌ字状の枠体５は厚さ方向糸ｚの挿入区域
と対応する領域６を囲むように形成された本体５ａと、
本体５ａの外側に取り外し可能に所定ピッチで立設され
た多数の規制部材としてのピン７と、枠体５のコーナ部
に取り外し可能にねじ（図示せず）により固定された支
持バー８とから構成されている。支持バー８の角部にも
ピン７が取り外し可能に嵌合されている。四角形状の枠
体は四角形の枠体本体に、所定ピッチでピンが取り外し
可能に立設されている。

【００２７】積層糸群３に厚さ方向糸ｚを挿入する厚さ
方向糸挿入装置は、特開平８−２１８２４９号公報、特
開平９−１３７３３６号公報で本願出願人が提案した装
置と基本的に同様に構成されている。次に厚さ方向糸挿
入装置を図６に従って説明する。図６は厚さ方向糸挿入
装置９の概略部分平面図である。

【００２８】厚さ方向糸挿入装置９は積層糸群３が配列
された枠体５を取付け部材１０を介して一対の支持ブラ
ケット１１間（片側のみ図示）に支持し、厚さ方向糸ｚ
を１列ずつ同時に挿入するようになっている。取付け部
材１０はボルトにより枠体５に固定されるとともに、支
持ブラケット１１の支持片１２にボルト１３により固定
されるようになっている。

【００２９】厚さ方向糸挿入装置９のベースプレート１
４の前側（図６の下側）には支持テーブル１５が図６の
左右方向に移動可能に配設され、支持テーブル１５上に
支持ブラケット１１が立設されている。支持テーブル１
５は図示しない送り装置により所定ピッチずつ移動され
るようになっている。なお、図６に示す支持テーブル１
５の位置は、厚さ方向糸ｚの挿入がほとんど終了に近づ
いた時点における位置である。

【００３０】ベースプレート１４には支持テーブル１５
より後側に一対のブラケット１６（一方のみ図示）が立
設され、両ブラケット１６間には一対のガイドロッド１
７が支持テーブル１５の移動方向と平行に架設されてい
る。ガイドロッド１７には支持プレート１８が摺動可能
に支持されている。支持プレート１８はブラケット１６
に固定されたエアシリンダ１９のピストンロッド１９ａ
に連結され、エアシリンダ１９の作動により所定の距離
を往復移動可能となっている。

【００３１】支持プレート１８の前後両端には一対の支
持ブラケット２０が立設され、支持ブラケット２０間に
平行に架設されたガイドロッド（図示せず）に移動体２
１が摺動可能に支持されている。移動体２１の前端には
針支持体２２が固定され、針支持体２２の前部に厚さ方
向糸挿入針（以下、単に挿入針という）２３がピン７の
配列ピッチと対応する所定ピッチで１列に水平に固定さ
れている。針支持体２２は前側の支持ブラケット２０に
形成された孔（図示せず）を貫通する状態で配設されて
いる。

【００３２】移動体２１はモータ２４により駆動される
ボールネジ機構２５の作動により、針支持体２２ととも
に待機位置と作用位置とに移動される。挿入針２３は待
機位置では支持ブラケット１１に支持された積層糸群３
と係合不能となり、作用位置では針孔２３ａ（図１１に
図示）が積層糸群３の反対側となる位置まで積層糸群３
を貫通する。

【００３３】支持ブラケット２０には上下一対の支持ロ
ッド２６が支持ブラケット２０を貫通した状態で摺動可
能に支持されている。支持プレート１８には後側の支持
ブラケット２０寄りに、ブラケット２７を介してエアシ
リンダ２８が前後方向に延びるように固定されている。
両支持ロッド２６は後端側が連結板２９を介して互いに
連結され、連結板２９がエアシリンダ２８のピストンロ
ッド２８ａに連結されている。両支持ロッド２６の前端
には穿孔針支持体３０が固定され、穿孔針支持体３０に
は穿孔針３１が挿入針２３と対応した所定ピッチで１列
に固定されている。穿孔針３１の列はエアシリンダ１９
の作動時における支持プレート１８の移動距離と等しい
間隔を保って挿入針２３の列と平行に配置されている。
エアシリンダ２８の作動により穿孔針支持体３０は穿孔
針３１が支持ブラケット１１に支持された積層糸群３と
係合不能な待機位置と、積層糸群３を貫通する作用位置
とに移動される。

【００３４】ベースプレート１４上には前側の支持ブラ
ケット２０の近傍にエアシリンダ３２が前後方向に延び
るように配設され、そのピストンロッド３２ａの先端に
ブラケット３３を介して押圧部材３４が固定されてい
る。押圧部材３４は挿入針２３列の配列方向に沿って延
びる断面Ｌ字状に形成され、挿入針２３あるいは穿孔針
３１の通過を許容する櫛歯部を備え、挿入針２３あるい
は穿孔針３１を挟んだ状態で積層糸群３を押圧可能とな
っている。

【００３５】押圧部材３４は支持ブラケット１１に支持
された積層糸群３に対して挿入針２３及び穿孔針３１の
待機位置側に配設され、挿入針２３列の挿入位置近傍に
おいて挿入針２３列の移動方向に沿って移動可能に配設
されている。エアシリンダ３２の作動により押圧部材３
４は支持ブラケット１１に支持された積層糸群３と係合
して積層糸群３を挿入針２３列の前進側へ押圧する作用
位置と、積層糸群３と係合不能な待機位置とに移動され
る。

【００３６】支持ブラケット１１に支持された積層糸群
３を挟んで押圧部材３４と反対側には、一対のプレスブ
ロック３５，３６が配設されている。両プレスブロック
３５，３６は積層糸群３との接触部の幅がピン７の配列
ピッチより広く形成され、各プレスブロック３５，３６
は積層糸群３の上方において別個に揺動可能に支持され
た一対のレバー（図示せず）の先端にそれぞれ固定され
ている。両プレスブロック３５，３６は押圧部材３４と
対向する位置でかつ、挿入針２３又は穿孔針３１の進入
を許容する隙間が生じるように互いに近接して配設され
ている。そして、図示しないエアシリンダの作動による
前記各レバーの揺動により、各プレスブロック３５，３
６が積層糸群３を針列の後退側へ押圧する作用位置と、
積層糸群３と係合不能な待機位置とに移動される。

【００３７】積層糸群３の支持位置の下方には挿入針２
３列が積層糸群３を貫通する位置と対応する位置に、抜
け止め糸挿通用針（以下、単に抜け止め糸針という）３
７が挿入針２３列の配列方向に沿って移動可能に配設さ
れている（図１１にその一部を図示）。抜け止め糸針３
７は先端にベラを有し、図示しない駆動装置により往復
動されて、作用位置に配置されたときの挿入針２３列に
連なる厚さ方向糸ｚのループを貫通する作用位置と、積
層糸群３と対応する位置から退避した待機位置とに配置
されるようになっている。

【００３８】なお、図示の都合上、図１及び図２に示す
概略図と、図４、図１０及び図１１等とでは、厚さ方向
糸ｚの挿入ピッチと、枠体に立設されたピン７のピッチ
や本数、あるいは三次元繊維構造体Ｗの長さと幅との比
等が異なる。

【００３９】次に前記のように構成された枠体５及び厚
さ方向糸挿入装置９を使用して補強リブ２を有する三次
元繊維構造体Ｗを製造する手順を説明する。枠体５を支
持ブラケットに固定した状態で、第１の面内配列糸ｘ、
第２の面内配列糸ｙ及びバイアス糸Ｂ1 ，Ｂ2 がそれぞ
れピン７と係合する状態で折り返すようにして、図３
（ａ）〜（ｄ）に示すようにそれぞれ配列される。そし
て、図５に示すように、枠体５の外側にｘ糸層、ｙ糸層
及びバイアス糸層が所定の複数層積層された積層糸群３
が形成される。また、四角形状の枠体上に第１の面内配
列糸ｘ、第２の面内配列糸ｙ及びバイアス糸Ｂ1 ，Ｂ2
がそれぞれピンと係合する状態で折り返すようにして配
列され、ｘ糸層、ｙ糸層及びバイアス糸層が所定の複数
層積層された平板状の積層糸群３が形成される。

【００４０】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、糸層が上から
押圧部材で押圧されて積層糸群３が圧縮される。

【００４１】次に厚さ方向糸挿入装置９を使用して、Ｌ
字状の両積層糸群３に厚さ方向糸ｚが公知の方法で挿入
される。ただし、厚さ方向糸ｚはハンドリングを可能に
する程度の粗い間隔で予備的に挿入される。そして、図
７に示すように、厚さ方向糸ｚが粗く挿入されたＬ字状
の三次元繊維構造体ＷＬが２体作成される。

【００４２】次に２体の三次元繊維構造体ＷＬを接合さ
せて、ほぼＴ字状の三次元繊維構造体ＷＴを形成する。
このとき、二つの枠体５に挿通されているピン７の一部
を共通化して、図８に示すように、２個の枠体５で三次
元繊維構造体を支持した状態で、２体の三次元繊維構造
体ＷＬの接合部に、正規の密度で厚さ方向糸ｚが挿入さ
れる。Ｌ字状の積層糸群３に厚さ方向糸ｚを挿入すると
きと、Ｔ字状の三次元繊維構造体ＷＴに厚さ方向糸ｚを
挿入するときとで、枠体５を支持するのに異なる形状の
支持片１２が使用される。

【００４３】なお、一部のピン７を共通化する際、図７
に示すように、一方の枠体５のピン７としてパイプを使
用し、他方の枠体５のピン７として先端が尖ったピンを
使用し、尖ったピン７をパイプ製のピン７に当接させて
押し出すと、作業が容易になる。

【００４４】次にＴ字状の三次元繊維構造体ＷＴの端部
を基板部１に接合するサイズに合わせて所定の位置で切
断して枠体５から取り外すと、図９に示すように、基板
部１との接合部に粗いピッチで厚さ方向糸ｚが挿入され
たＴ字状の三次元繊維構造体ＷＴが得られる。なお、三
次元繊維構造体ＷＴを切断する際に積層糸群３を構成す
る糸が乱れないように、切断部近傍の厚さ方向糸ｚの挿
入密度を高めておくのが好ましい。

【００４５】次に図１０（ａ）に示すように、平板状の
積層糸群３が形成された枠体３８に治具３９，４０を使
用して、Ｔ字状の三次元繊維構造体ＷＴを基板部１に対
する補強リブ２の所定の接合位置に取り付ける。治具３
９はほぼ門型に形成されるとともに、その両端にボルト
挿通孔（図示せず）が形成された取付部３９ａを備えて
いる。また、治具４０を介して三次元繊維構造体ＷＴの
中央の板状部２ａを挟持する挟持部３９ｂが所定間隔で
形成されている。治具４０は図１１に示すように、三次
元繊維構造体ＷＴとほぼ同じ長さの平板で形成されてい
る。そして、図１０（ａ）に示すように、各三次元繊維
構造体ＷＴはそれぞれ一対の治具４０に挟まれた状態で
治具３９の挟持部３９ｂに挟持される。治具３９は六角
穴付きボルト４１により枠体３８に固定される。

【００４６】次に枠体３８を厚さ方向糸挿入装置９の支
持ブラケット１１に固定して、厚さ方向糸ｚの挿入を行
う。図１１は厚さ方向糸ｚの挿入状態を示す模式斜視図
である。このとき、Ｔ字状の三次元繊維構造体ＷＴある
いはＬ字状の積層糸群３への厚さ方向糸ｚの挿入時に使
用されたプレスブロック３５，３６と異なる形状のプレ
スブロック４２，４３が使用される。図１１に示すよう
に、プレスブロック４２，４３には積層糸群３と対向す
る側に、Ｔ字状の三次元繊維構造体ＷＴ及び治具４０と
干渉しないための凹部４４が形成されている。

【００４７】そして、支持テーブル１５が挿入開始位置
に配置され、挿入針２３、穿孔針３１、押圧部材３４及
びプレスブロック４２，４３が待機位置に配置された状
態から積層糸群３及びＴ字状の三次元繊維構造体ＷＴの
積層糸群３との接合部への厚さ方向糸ｚの挿入作業が開
始される。

【００４８】先ずエアシリンダ３２が作動されて押圧部
材３４が作用位置に配置される。次に両プレスブロック
４２，４３が作用位置に配置され、押圧部材３４及び両
プレスブロック４２，４３により積層糸群３は穿孔針３
１列と対応する箇所が圧縮状態に保持される。その状態
でエアシリンダ２８が作動されて穿孔針３１が積層糸群
３を貫通する位置まで前進した後、元の位置まで後退す
る。穿孔針３１は押圧部材３４及び両プレスブロック４
２，４３にガイドされながら移動し、穿孔針３１が多少
曲がっていても穿孔針３１は積層糸群３に対して垂直に
挿通される。積層糸群３は押圧部材３４及び両プレスブ
ロック４２，４３によって押圧されているため、穿孔針
３１の前進時に各糸の配列が乱れることはない。積層糸
群３を構成する繊維が押圧部材３４及び両プレスブロッ
ク４２，４３の圧縮作用によりある程度密に配置された
状態にあるため、穿孔針３１の抜き跡に孔が形成され
る。

【００４９】次にエアシリンダ１９が突出作動されて支
持プレート１８とともに穿孔針３１列及び挿入針２３列
が移動され、挿入針２３列が穿孔針３１の抜き跡の孔と
対向する位置に配置される。その状態でプレスブロック
４２が待機位置に配置された後、モータ２４が作動さ
れ、挿入針２３が前進して作用位置に配置される。挿入
針２３は針孔２３ａが積層糸群３の前方に出るまで積層
糸群３に挿通される。挿入針２３が前進端に達した後、
モータ２４が逆転されて挿入針２３がわずかに後退させ
られる。その結果、積層糸群３から針孔２３ａに連なる
厚さ方向糸ｚが抜け止め糸針３７の通過を許容するルー
プを形成した状態となる。

【００５０】次に抜け止め糸針３７が作動され、抜け止
め糸（図示せず）が前記ループに挿通される。その後、
モータ２４が逆転されて挿入針２３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。また、プレスブ
ロック４２が再び作用位置に配置される。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
止め糸により抜け止めされた状態で締付けられる。次に
エアシリンダ１９が作動され、支持プレート１８ととも
に穿孔針３１列及び挿入針２３列が初期位置に戻され
る。また、エアシリンダ３２が作動されて押圧部材３４
が待機位置に配置され、プレスブロック４２，４３も待
機位置に配置される。以上により厚さ方向糸ｚの１回の
挿入サイクルが完了する。そして、平板状の積層糸群３
及びＴ字状の三次元繊維構造体ＷＴの積層糸群３との接
合部に対して、Ｔ字状の三次元繊維構造体ＷＴの屈曲部
４と対応する位置を除いた幅方向全域にわたって厚さ方
向糸ｚが１列分挿入される。

【００５１】なお、図１１では挿入針２３及び穿孔針３
１の各ピッチが模式的に等ピッチに図示されているが、
屈曲部４と対応する位置では、挿入針２３及び穿孔針３
１は針支持体２２及び穿孔針支持体３０から取り外され
ている。

【００５２】次に支持テーブル１５が厚さ方向糸ｚの挿
入ピッチ分移動され、穿孔針３１が積層糸群３への次回
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、図１０（ｂ）に示すように、平板状の
積層糸群３とＴ字状の三次元繊維構造体ＷＴとが、その
屈曲部４と対応する位置を除いた箇所において厚さ方向
糸ｚで結合された三次元繊維構造体が形成される。

【００５３】次に基板部１及び補強リブ２の屈曲部４と
対応する位置への厚さ方向糸ｚの挿入が行われる。この
とき、図１２に示すように、治具３９，４０を取り外
し、枠体３８を支持する支持ブラケット１１と支持テー
ブル１５の間に規制治具４５を挟んだ状態で、支持ブラ
ケット１１を支持テーブル１５に固定する。規制治具４
５は枠体３８の角度を厚さ方向糸ｚの挿入角度と対応す
るように規制する役割を果たす。そして、屈曲部４と対
応する位置に基板部１の厚さ方向に対して交差する状態
で、厚さ方向糸ｚを屈曲部４及び基板部１を貫通するよ
うに挿入する。なお、治具３９，４０を取り付けたまま
で、厚さ方向糸ｚの挿入を行ってもよい。図１２の角度
で厚さ方向糸ｚの挿入を行った後、規制治具４５を１８
０°反転させた状態で支持ブラケット１１を支持し、図
１２の状態に対して、枠体３８が支持テーブル１５と垂
直な面に対して対称となる状態で、再び屈曲部４と対応
する位置に厚さ方向糸ｚを挿入する。そして、厚さ方向
糸ｚの挿入が終了した後、各ピン７が枠体３８から取り
外されて、基板部１の周縁が所定の位置で切断されて三
次元繊維構造体Ｗの製造が完了する。

【００５４】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Ｗの補強リブ２の屈曲部４と
対応する位置においては、厚さ方向糸ｚが基板部１の厚
さ方向に対して交差する状態で屈曲部４及び基板部１を
貫通するように配列されている。従って、補強リブ２を
単に接着あるいは一体成形した場合に比較して、基板部
１と補強リブ２とが厚さ方向糸ｚにより結合された三次
元繊維構造体Ｗの、補強リブ２と基板部１との接続部の
強度が大きくなり、同じ要求物性であれば三次元繊維構
造体Ｗを骨格材とした複合材を薄くできる。

【００５５】（２） 厚さ方向糸ｚによって結合される
積層糸群３を構成する各糸層の糸が、ピン７（規制部
材）を基準として折り返し状に配列されるため、糸を緊
張した状態で配列でき、かつその状態で厚さ方向糸ｚが
挿入される。従って、クロス（平面上の織物）を積層し
てステッチ縫いで各クロスを結合した三次元繊維構造体
に比較して、糸の真直度が良好で高品質（物性が良い）
の三次元繊維構造体Ｗが得られる。

【００５６】（３） 補強リブ２は少なくとも基板部１
との結合部付近がＴ字状に形成されているため、横方向
のどちら側から力が作用しても曲げに対して良好な強度
を確保できる。

【００５７】（４） 三次元繊維構造体Ｗは基板部１及
び補強リブ２とも、それぞれ複数の糸層を積層して形成
された面内３軸以上（面内４軸）の配向となる積層糸群
３と、その厚さ方向に配列された厚さ方向糸ｚとを含む
４軸以上（５軸）で構成されている。従って、物性（特
に強度や耐衝撃性）の優れた複合材を得ることができ
る。

【００５８】（５） 補強リブ２と基板部１とを一体に
して製織する方法では面内３軸以上の三次元織物を製造
するには、機構が非常に複雑になり、効率良く三次元織
物を製造するのが難しい。しかし、複数の糸層を積層し
て形成された面内３軸以上（面内４軸）の配向となる積
層糸群３を厚さ方向糸ｚで結合した、三次元繊維構造体
Ｗの場合は、面内４軸であっても、比較的容易に製造で
きる。

【００５９】（６） 基板部１、補強リブ２及び厚さ方
向糸ｚが全てカーボン糸で形成されているため、他の材
質製の糸やカーボン糸と他の材質製の糸とを組み合わせ
て使用した場合に比較して、複合材としたときの物性が
向上する。例えば、糸としてガラス繊維製の糸を使用す
ると、カーボン糸に比較して重量が大きくなる。また、
ポリアラミド繊維は吸水率が大きく、複合材を形成する
際に物性低下の要因となる。

【００６０】（７） 三次元繊維構造体Ｗを構成するバ
イアス糸Ｂ1 ，Ｂ2 が、第１及び第２の面内配列糸ｘ，
ｙに対してほぼ±４５°の角度で交差するように配列さ
れている。従って、他の角度で配列した場合に比較し
て、斜め方向からの力に対して最も有効に機能する。

【００６１】（８） 各糸層を構成する糸として、少な
くとも当該糸層内で連続した１本の糸が使用されている
ため、各糸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。

【００６２】（９） 厚さ方向糸ｚの挿入時に、枠体３
に保持された積層糸群３が、押圧部材３４により位置決
めされた状態で、押圧部材３４と、プレスブロック４
２，４３とにより押圧される。従って、押圧部材３４が
ガイドとしての役割を果たし、穿孔針３１による積層糸
群３の所定位置への孔の形成が容易になる。

【００６３】（１０） 補強リブ２用のＴ字状の三次元
繊維構造体ＷＴを製作する際、厚さ方向糸ｚがハンドリ
ングを可能にする程度の粗い間隔で予備的に挿入された
Ｌ字状の三次元繊維構造体ＷＬを２体製作して、それを
組み合わせた後、正規のピッチで厚さ方向糸ｚを挿入す
る。従って、予備的な厚さ方向糸ｚの挿入を行わずにＬ
字状の積層糸群３を接合して、厚さ方向糸ｚの挿入を行
う場合に比較して、Ｔ字状の三次元繊維構造体ＷＴの製
作、及び基板部１との接合のための厚さ方向糸ｚの挿入
作業が容易になる。

【００６４】（第２の実施の形態）次に第２の実施の形
態を図１３に従って説明する。この実施の形態では基板
部１と補強リブ２用のＴ字状の三次元繊維構造体ＷＴと
を結合する厚さ方向糸ｚの挿入方法が前記実施の形態と
異なっている。前記実施の形態と同一部分は同一符号を
付して詳しい説明は省略する。

【００６５】前記実施の形態ではＴ字状の三次元繊維構
造体ＷＴの長手方向と直交する方向に一列ずつ、厚さ方
向糸ｚが順次挿入されたが、この実施の形態ではＴ字状
の三次元繊維構造体ＷＴの長手方向と平行に一列ずつ、
厚さ方向糸ｚが順次挿入される。三次元繊維構造体ＷＴ
を挟持する治具４０は三次元繊維構造体ＷＴより長く形
成され、その両端が枠体３８のピン７の間を通って積層
糸群３の幅より外側に配置された状態で治具３９の挟持
部３９ｂに挟持される。そして、プレスブロック４２，
４３を使用せず、治具４０及び押圧部材３４によって、
積層糸群３及び三次元繊維構造体ＷＴの押圧が行われ
る。また、治具３９は取付部３９ａを突設せずに、治具
３９の支柱の底部にネジ穴（図示せず）が形成され、枠
体３８側に形成されたボルト挿通孔（図示せず）を貫通
するボルトにより、枠体３８に固定されるようになって
いる。

【００６６】従って、この実施の形態においても、前記
実施の形態の（１）〜（１０）の効果が得られる。ま
た、前記実施の形態の厚さ方向糸挿入装置９に比較し
て、プレスブロック４２，４３を省略できるため、構造
が簡単になるとともに、挿入工程数も少なくなって、厚
さ方向糸ｚの挿入に必要な時間の短縮が図れる。

【００６７】なお、実施の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。 ○ 補強リブ２の形状は三次元繊維構造体Ｗの長手方向
あるいは幅方向と平行に延びる構成に限らず、図１４に
示すように、基板部１との接合部がＴ字状で、かつ全体
として格子に形成されたものであってもよい。このよう
な補強リブ２を備えた三次元繊維構造体Ｗを形成する場
合は、先ず、第１の実施の形態と同様にして所定の長さ
のＴ字状の三次元繊維構造体ＷＴを製作する。次に、そ
の一部を切断して、図１５に示す形状の三次元繊維構造
体ＷＴを製作する。また、同様にして、図１５に示す形
状の三次元繊維構造体ＷＴと組み合わせることにより、
図１４に示す形状の三次元繊維構造体ＷＴが構成される
三次元繊維構造体ＷＴを所定の長さのＴ字状の三次元繊
維構造体ＷＴの一部を切断して形成する。そして、適切
な治具を使用して基板部１に接合した状態で支持して、
厚さ方向糸ｚを挿入することにより、三次元繊維構造体
Ｗが得られる。

【００６８】○ 三次元繊維構造体Ｗを構成する基板部
１及び補強リブ２は、それぞれ複数の糸層を積層して形
成された面内３軸以上の配向となる積層糸群３と、その
厚さ方向に配列された厚さ方向糸ｚとを含む少なくとも
４軸で構成されていればよい。例えば、配向角が０°、
６０°及び−６０°に配列した糸で面内３軸の積層糸群
３を構成したり、面内４軸の積層糸群３を構成する場合
にバイアス糸Ｂ1 ，Ｂ2 の配向角を±４５°以外の配向
角としてもよい。

【００６９】○ 補強リブ２の形状は基板部１から垂直
に突出する部分が単純な平板に限らず、先端側がＴ字状
やＬ字状であってもよい。また、基板部１との接合部が
Ｔ字状に限らず、Ｌ字状としてもよい。

【００７０】○ 厚さ方向糸ｚの配列は抜け止め糸と共
同で各糸層を締め付ける配列のものに限らず、例えば特
開平６−１８４９０６号公報に開示された繊維構造体の
ように、チェーンステッチ方式で厚さ方向糸ｚ自身が抜
け止め機能を果たすように各糸層を貫通して締め付ける
構成としてもよい。また、厚さ方向糸ｚが積層糸群３の
表側から裏側へ挿通される工程と、裏側から表側へ挿通
される工程とが交互に繰り返された配列方法としてもよ
い。

【００７１】○ 基板部１は必ずしも平板に限らず、曲
率の小さな円弧面であってもよい。 ○ 積層糸群３の厚さや繊維の種類によっては穿孔針３
１による孔開けを行わずに、直接挿入針２３を挿入して
厚さ方向糸ｚを挿入してもよい。この場合は穿孔針３１
及びその駆動装置が不要な分、厚さ方向糸挿入装置９の
構成が簡単になる。

【００７２】○ 基板部１の幅が広い場合は、厚さ方向
糸ｚの挿入を１列同時に行わずに、複数回に分けて行っ
てもよい。 ○ 積層糸群３に対して挿入針２３の突出側に配置され
るプレスブロック４２，４３は２個一組に限らず、１個
でもよい。１個とする場合はプレスブロックが作用位置
に配置された状態で挿入針２３が積層糸群３に挿通され
たとき、挿入針２３の突出側における厚さ方向糸ｚのル
ープの形成に支障を来さない側に配置する。

【００７３】○ 基板部１及び補強リブ２を積層糸群３
を厚さ方向糸ｚで結合した三次元繊維構造体で形成する
代わりに、クロス（好ましくはユニ・ウィーブ織物）を
複数枚積層して形成したものを厚さ方向糸ｚで結合した
三次元繊維構造体で形成してもよい。また、基板部１及
び補強リブ２の一方をクロスから形成した三次元繊維構
造体で形成し、他方を積層糸群３から形成した三次元繊
維構造体で形成してもよい。

【００７４】前記各実施の形態から把握できる請求項記
載以外の技術的思想（発明）について、以下にその効果
とともに記載する。 （１） 請求項３に記載の発明において、前記積層糸群
は互いに直交する状態で配列される第１及び第２の面内
配列糸と、前記第１及び第２の面内配列糸に対してほぼ
±４５°の角度で交差するように配列されているバイア
ス糸とにより面内４軸で構成されている。この場合、バ
イアス糸を他の角度で配列した場合に比較して、斜め方
向からの力に対して最も有効に機能し、複合材としたと
きの物性が向上する。

【００７５】（２） 三次元繊維構造体で構成された基
板部と、三次元繊維構造体で構成されるとともに基板部
との結合部がほぼＴ字状となる補強リブとが厚さ方向糸
により結合された三次元繊維構造体の製造方法におい
て、Ｌ字状に形成された積層糸群を２体形成するととも
にハンドリングが可能な程度の粗さで予備的に厚さ方向
糸を挿入し、その後、２体を接合するとともに接合部に
正規のピッチで厚さ方向糸ｚを挿入したＴ字状の三次元
繊維構造体を形成し、その三次元繊維構造体を基板部を
構成する平板状の積層糸群の所定位置に、治具を使用し
て配置した状態に保持し、補強リブの屈曲部と対応する
位置以外の箇所に所定ピッチで厚さ方向糸を挿入し、そ
の後、補強リブの屈曲部と対応する位置に基板部の厚さ
方向に対して交差する状態で屈曲部及び基板部を貫通す
るように厚さ方向糸を挿入する三次元繊維構造体の製造
方法。この場合、基板部との結合部がほぼＴ字状となる
補強リブを有する三次元繊維構造体を、全体を同時に製
織する方法に比較的して簡単に製造できる。

【００７６】

【発明の効果】以上詳述したように請求項１〜請求項４
に記載の発明によれば、基板部と補強リブとが厚さ方向
糸により結合された三次元繊維構造体の、補強リブと基
板部との接続部の強度が大きくなり、同じ要求物性であ
れば三次元繊維構造体を骨格材とした複合材を薄くでき
る。

【００７７】請求項２に記載の発明によれば、補強リブ
は少なくとも基板部との結合部付近がＴ字状に形成され
ているため、横方向のどちら側から力が作用しても曲げ
に対して良好な強度を確保できる。

【００７８】請求項３に記載の発明では、基板部及び補
強リブは、それぞれ複数の糸層を積層して形成された面
内３軸以上の配向となる積層糸群と、その厚さ方向に配
列された厚さ方向糸とを含む少なくとも４軸で構成され
ているため、物性（特に強度や耐衝撃性）の優れた複合
材を得ることができる。

【００７９】請求項４に記載の発明では、基板部、補強
リブ及び厚さ方向糸が全てカーボン糸で形成されている
ため、他の糸やカーボン糸と他の糸とを組み合わせて使
用した場合に比較して、複合材としたときの物性が向上
する。

【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
体の模式断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図。

【図２】 同じく模式斜視図。

【図３】 積層糸群を構成する糸の配列状態を示す模式
斜視図。

【図４】 積層糸群の形成に使用する枠体の概略斜視
図。

【図５】 枠体上に積層糸群を形成した状態の概略斜視
図。

【図６】 厚さ方向糸挿入装置の概略部分平面図。

【図７】 Ｌ字状三次元繊維構造体の支持状態を示す模
式端面図。

【図８】 Ｔ字状三次元繊維構造体の支持状態を示す模
式端面図。

【図９】 Ｔ字状三次元繊維構造体の模式図。

【図１０】 （ａ）はＴ字状三次元繊維構造体の支持治
具を示す模式断面図、（ｂ）は同じく厚さ方向糸挿入後
の状態を示す模式断面図。

【図１１】 厚さ方向糸挿入装置の作用を説明する模式
斜視図。

【図１２】 厚さ方向糸挿入装置の作用を説明する一部
破断模式側面図。

【図１３】 別の実施の形態の治具の作用を説明する模
式斜視図。

【図１４】 別の三次元繊維構造体の模式斜視図。

【図１５】 同じく製作途中の補強リブを示す模式斜視
図。

【図１６】 従来の三次元織物の製造方法を示す模式斜
視図。

【図１７】 別の従来の三次元織物の製造方法を示す模
式断面図。

【符号の説明】

１…基板部、２…補強リブ、２ａ，２ｂ，２ｚ…板状
部、３…積層糸群、４…屈曲部、ｘ…第１の面内配列
糸、ｙ…第２の面内配列糸、ｚ…厚さ方向糸、Ｂ1，Ｂ2
…バイアス糸、Ｗ，ＷＴ…三次元繊維構造体。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 三次元繊維構造体で構成された基板部
   と、三次元繊維構造体で構成された補強リブとが厚さ方
   向糸により結合された三次元繊維構造体であって、 前記補強リブはほぼ直角に屈曲された状態で連続する板
   状部を有し、前記板状部の一つが前記基板部に垂直とな
   るように基板部に結合されるとともに、前記補強リブと
   前記基板部とを結合する厚さ方向糸は、前記補強リブの
   屈曲部と対応する位置においては、前記基板部の厚さ方
   向に対して交差する状態で屈曲部及び基板部を貫通する
   ように配列されている三次元繊維構造体。
2. 【請求項２】 前記補強リブは少なくとも前記基板部と
   の結合部付近がＴ字状に形成されている請求項１に記載
   の三次元繊維構造体。
3. 【請求項３】 前記基板部及び前記補強リブは、それぞ
   れ複数の糸層を積層して形成された面内３軸以上の配向
   となる積層糸群と、その厚さ方向に配列された厚さ方向
   糸とを含む少なくとも４軸で構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. 【請求項４】 前記基板部、補強リブ及び厚さ方向糸が
   全てカーボン糸で形成されている請求項３に記載の三次
   元繊維構造体。